深沟球轴承保持架铆钉断裂原因分析
2013-04-18
赵灵蓉 张书丽
（哈尔滨轴承集团公司航空航天轴承分厂）
（哈尔滨轴承集团公司航空航天轴承分厂）
摘 要：根据铆钉断口及轴承内外套失效后的形貌，分析轴承失效产生机理。
关键词：铆钉；断口；轴承失效
1、前言
轴承通常由四部分主要部件构成，即内套、外套、滚动体、保持架。保持架的作用是在轴承运转时保持滚动体在正确位置，轴承保持架一旦损坏通常会引起轴承发生整体失效。有时会因保持架的破断将滚动体挤伤，甚至会将轴承抱死引发事故。可见保持架在轴承中的作用是不可忽视的。而作为连结保持架的铆钉，则是保持架可靠运转的保障，如果发生断裂将会引起保持架的损坏。
某套深沟球轴承在交付客户使用300h后，发生保持架铆钉断裂，客户将失效轴承返厂分析其保持架铆钉断裂原因。
2、检验及分析
由于轴承失效件为铆钉，在轴承拆套分析时并没有采取将铆钉破坏，取下保持架从而将内外套及滚动体分离的方式，而是采取将轴承外套用线切割从两侧切开，拆套分离的方式。采用这种拆套方式，保持了失效件的原始状态，为准确找到失效原因奠定了基础。
拆开轴承后，将断裂铆钉取下在显微镜下观察，两个断裂铆钉的断口经放大，可清楚地看到颈缩和完整的剪切唇，断口在显微镜下呈纤维状，灰暗色，如图1所示。铆钉材质为ML15。ML15含碳量约为0.15%左右，属于典型的低碳钢。一般来讲，低碳钢试样的轴向拉伸断口是由三部分组成，即剪切唇、放射区、纤维区，并且在断口附近还存在着明显的颈缩现象。颈缩是塑性较好的金属材料在拉伸过程中变形集中于局部区域的现象，它是应变硬化与截面减小共同作用的结果。低碳钢试样轴向拉伸应力达到屈服点之前，塑性变形是均匀的，在轴向拉伸应力超过屈服点后，由于应变硬化跟不上塑性变形发展，使变形集中于局部区域产生颈缩。纤维区的形成是由于轴向拉伸过程中，当应力达到材料的屈服点后，试样局部区域产生颈缩，同时试样的应力状态也由单向变为三向，且中心轴向应力Z大。在中心三向拉应力作用下，塑性变形难于进行，致使试样中心部分的夹杂物或第二相质点本身碎裂，或使夹杂物质点与基体界面脱离而形成微孔。微孔不断长大和聚合就形成了显微裂纹。显微裂纹不断扩展和相互连接形成锯齿状的纤维区，而灰暗色则是纤维断口对光反射能力弱所致。在试样拉伸断裂的Z后阶段，试样边缘剪切断裂形成杯状或锥状的剪切唇。剪切唇表面光滑，与拉伸轴约呈45°。通过观察可以看出，断裂铆钉的断口形态形貌符合了低碳钢试样拉伸断口的大部分特点，存在纤维区、剪切唇，存在明显的颈缩现象。在断口上未观察到明显放射区是因为轴向力瞬时增大，塑性变形未来得及完全进行即发生了断裂所致。该轴承属角接触球轴承，在轴向单方向虽然要承受一定的载荷，但受力时保持架与铆钉不应受较大载荷，以至于引起保持架铆钉拉伸断裂。为了弄清引起保持架铆钉拉伸断裂的原因，又对内外套及保持架进行了观察分析。
关键词：铆钉；断口；轴承失效
1、前言
轴承通常由四部分主要部件构成，即内套、外套、滚动体、保持架。保持架的作用是在轴承运转时保持滚动体在正确位置，轴承保持架一旦损坏通常会引起轴承发生整体失效。有时会因保持架的破断将滚动体挤伤，甚至会将轴承抱死引发事故。可见保持架在轴承中的作用是不可忽视的。而作为连结保持架的铆钉，则是保持架可靠运转的保障，如果发生断裂将会引起保持架的损坏。
某套深沟球轴承在交付客户使用300h后，发生保持架铆钉断裂，客户将失效轴承返厂分析其保持架铆钉断裂原因。
2、检验及分析
由于轴承失效件为铆钉，在轴承拆套分析时并没有采取将铆钉破坏，取下保持架从而将内外套及滚动体分离的方式，而是采取将轴承外套用线切割从两侧切开，拆套分离的方式。采用这种拆套方式，保持了失效件的原始状态，为准确找到失效原因奠定了基础。
拆开轴承后，将断裂铆钉取下在显微镜下观察，两个断裂铆钉的断口经放大，可清楚地看到颈缩和完整的剪切唇，断口在显微镜下呈纤维状，灰暗色，如图1所示。铆钉材质为ML15。ML15含碳量约为0.15%左右，属于典型的低碳钢。一般来讲，低碳钢试样的轴向拉伸断口是由三部分组成，即剪切唇、放射区、纤维区，并且在断口附近还存在着明显的颈缩现象。颈缩是塑性较好的金属材料在拉伸过程中变形集中于局部区域的现象，它是应变硬化与截面减小共同作用的结果。低碳钢试样轴向拉伸应力达到屈服点之前，塑性变形是均匀的，在轴向拉伸应力超过屈服点后，由于应变硬化跟不上塑性变形发展，使变形集中于局部区域产生颈缩。纤维区的形成是由于轴向拉伸过程中，当应力达到材料的屈服点后，试样局部区域产生颈缩，同时试样的应力状态也由单向变为三向，且中心轴向应力Z大。在中心三向拉应力作用下，塑性变形难于进行，致使试样中心部分的夹杂物或第二相质点本身碎裂，或使夹杂物质点与基体界面脱离而形成微孔。微孔不断长大和聚合就形成了显微裂纹。显微裂纹不断扩展和相互连接形成锯齿状的纤维区，而灰暗色则是纤维断口对光反射能力弱所致。在试样拉伸断裂的Z后阶段，试样边缘剪切断裂形成杯状或锥状的剪切唇。剪切唇表面光滑，与拉伸轴约呈45°。通过观察可以看出，断裂铆钉的断口形态形貌符合了低碳钢试样拉伸断口的大部分特点，存在纤维区、剪切唇，存在明显的颈缩现象。在断口上未观察到明显放射区是因为轴向力瞬时增大，塑性变形未来得及完全进行即发生了断裂所致。该轴承属角接触球轴承，在轴向单方向虽然要承受一定的载荷，但受力时保持架与铆钉不应受较大载荷，以至于引起保持架铆钉拉伸断裂。为了弄清引起保持架铆钉拉伸断裂的原因，又对内外套及保持架进行了观察分析。
确定铆钉是由于拉伸而引起的塑性断裂后就可以断定保持架一定受到了一个轴向的力的作用。下面对这个轴向力是怎样产生又是怎样施加加以叙述。
通过观察轴承的保持架与内外套，发现两半保持架结合部已产生较大缝隙，外径、内径和套圈沟道边缘凸起对应处被切刮出沟槽，如图2所示。外套沟道两侧边明显有均匀分布的压痕，形成26个波，两侧峰谷相对，沟边凸起，如图3所示。内套沟道出现不同程度剥落，沟形变大变深，沟边凸起，如图4所示。钢球表面出现不同程度的剥落。
通过观察轴承的保持架与内外套，发现两半保持架结合部已产生较大缝隙，外径、内径和套圈沟道边缘凸起对应处被切刮出沟槽，如图2所示。外套沟道两侧边明显有均匀分布的压痕，形成26个波，两侧峰谷相对，沟边凸起，如图3所示。内套沟道出现不同程度剥落，沟形变大变深，沟边凸起，如图4所示。钢球表面出现不同程度的剥落。
经化学成分分析，轴承内套、外套和钢球材质符合GB/T 18254-2002国家标准中规定的GCr15钢成分。各零件的组织硬度也均符合轴承钢热处理质量标准JB1255要求。由此可见轴承的失效可能与客户使用有关。从两半保持架被撑开和沟道边缘凸起呈波浪形的特征，可以推断故障是由于工作中的轴承受到轴向振动冲击力，使本应沿沟道呈圆周公转的钢球产生轴向冲击力，作用于沟道两侧，致使沟道两侧边缘塑性变形，沟道边缘凸起形成波浪状（均匀分布的26个波，两侧峰谷相对，说明是有规律的振动）；此轴向冲击力同时作用于保持架兜孔两侧，致使两半保持架分离，铆钉受轴向拉伸力而被拉断。铆钉的断口可清楚地看到颈缩和完整的剪切唇，拉伸断裂特征比较明显。
由于不正常的轴向振动冲击力超过轴承负荷极限，促使轴承过早损坏。
3、结论
（1）轴承内、外套圈和钢球材质符合GB/T 18254－2002国家标准中规定GCr15的钢成分，热处理质量符合JB1255规定。
（2）轴承工作中出现的不正常轴向振动冲击力是造成轴承失效及铆钉断裂的根本原因。
由于不正常的轴向振动冲击力超过轴承负荷极限，促使轴承过早损坏。
3、结论
（1）轴承内、外套圈和钢球材质符合GB/T 18254－2002国家标准中规定GCr15的钢成分，热处理质量符合JB1255规定。
（2）轴承工作中出现的不正常轴向振动冲击力是造成轴承失效及铆钉断裂的根本原因。
来源：《哈尔滨轴承》2007年01期
