摘 要:某推力滚针轴承的推力垫圈发生断裂,采用宏观观察、化学成分分析、扫描电镜分析、硬 度测试、金相检验等方法对其断裂原因进行研究。结果表明:推力垫圈与保持架发生滑动磨损,在 较高的旋转轴向应力作用下,推力垫圈发生断裂。
关键词:推力滚针轴承;推力垫圈;脆性断裂;滑动磨损
中图分类号:TB31;TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2023)06-0063-03
推力滚针轴承为滚动轴承的一种,由带滚针或 圆柱滚子、滚珠的推力保持架和推力垫圈组成[1]。 推力滚针轴承具有体积小、承受载荷能力大、质量 小、转速高、运转平稳、回转力矩较小等优点,被广泛 应用。
推力垫圈为推力轴承的重要零部件,其质量直 接关系到整个推力轴承的寿命[2]。
某型号推力滚针轴承在疲劳试验过程中运行 2.5万次后发生断裂,拆解该推力滚针轴承后,发现 推力垫圈和保持架均发生断裂。
疲劳试验过程中,推力滚针轴承的额定载荷为 13.9kN,实际载荷为19~20kN。
推力垫圈材料为 GCr15钢,其加工工艺为:棒 材→车削加工→热处理→磨削加工→表面发黑处 理,其硬度为58~62HRC,显微组织为细针状回火 马氏体+极其少量的残余奥氏体。笔者采用一系列 理化检验方法分析了该推力垫圈的断裂原因,以防 止该类问题再次发生。
1 理化检验
1.1 宏观观察
推力滚针轴承宏观形貌如图1所示,断裂的推 力垫圈宏观形貌如图2所示。
断裂的推力垫圈与保持架接触面有明显的磨损 痕迹及回火色,呈现弯曲特征,弯曲方向为轴向,推 力垫圈断口齐平,色泽一致,裂纹源为垫圈磨损表面 (见图3)。
断裂保持架破损严重,与推力垫圈接触部位明显可见磨损痕迹,裂纹扩展方向与该推力滚针轴承 工作时的向心力方向一致(见图4)。
1.2 化学成分分析
利用直读光谱仪对断裂推力垫圈的化学成分进 行分析,结果如表1所示。由表1可知:各元素质量 分数符合 GB/T18254—2016 《高碳铬轴承钢》的 要求。
1.3 扫描电镜(SEM)分析
将断裂的推力垫圈和保持架清洗、烘干后,放置 在场发射扫描电镜下观察,结果如图5~6所示。由 图5~6可知:推力垫圈的断口未见明显塑性变形, 呈沿晶断裂特征;保持架内圈断口可见清晰的疲劳 条带,且呈高应力低周疲劳断裂特征。
1.4 硬度测试
利用洛氏硬度计对断裂推力垫圈进行表面硬度测试,载荷为1500N,误差为±0.5HRC,测试结果 如表2所示。
由表2可知:未磨损推力垫圈表面硬度和磨损 推力垫圈表面硬度均满足技术要求,且两者硬度相 差较小。
1.5 金相检验
对断裂推力垫圈断口进行金相检验,试样经打 磨、抛光后,利用光学显微镜对其进行观察,结果如图 7所示,由图7可知:推力垫圈存在D类细系0.5级夹 杂物,未见其他非金属夹杂物,整体纯净度较好。
试样经过4%(体积分数)硝酸乙醇溶液腐蚀 后,利用光学显微镜对其进行观察,结果如图8所 示,由图8可知:推力垫圈显微组织为回火马氏体+ 极其少量的残余奥氏体。
2 综合分析
推力垫圈的化学成分和硬度均符合技术要求, 但整体硬度偏高,在高应力快速断裂过程中,其组织 呈现出脆性断裂特征[3]。推力垫圈基体组织正常, 未见异常组织。在较高的应力载荷作用下,推力垫 圈快速断裂,裂纹起源于垫圈磨损表面。
由于该推力轴承保持架发生早期疲劳断裂,导 致保持架和推力垫圈发生异常磨损[4],推力垫圈发 生早期脆性断裂失效,进而引发推力滚针轴承运行 不平稳[5]。该滚针轴承在运转时承载了较高的旋转 轴向应力,致使推力垫圈、滚针之间发生滑动磨损, 最终导致推力垫圈断裂。
3 结论
(1)该推力滚针轴承在运转过程中承受较高的 旋转轴向应力,引起保持架发生早期疲劳失效,导致 保持架和推力垫圈之间发生滑动磨损。
(2)该滚针轴承垫圈发生脆性断裂,产生原因 是垫圈和保持架发生异常磨损,造成垫圈在早期服 役期间发生断裂。
(3)垫圈本身硬度大,增加了垫圈的应力敏感 性,较大的应力也是表面发生脆性断裂的原因。
参考文献:
[1] 雷建中,梅亚莉,赖维明,等.摩托车轴承保持架表面 处理后组织与性能[J].轴承,2002(8):33-35.
[2] 李浩东.推力滚针轴承失效分析及试验研究[D].广 州:华南理工大学,2013.
[3] 杨晓刚,王旭永,扈文庄.推力滚针轴承垫圈厚度误差 对接触应力的影响[J].轴承,2015(12):11-13.
[4] 梁华,张延芳,梁林霞.轴承保持架断裂原因分析[J]. 金属热处理,2005,30(3):80-82.
[5] 程林,疏剑,杨章林,等.2404730504型推力滚针轴承 失效原因分析[J].盐城工学院学报(自然科学版), 2020,33(2):36-40.