摘 要:某推力滾針軸承的推力墊圈發(fā)生斷裂,采用宏觀觀察、化學成分分析、掃描電鏡分析、硬 度測試、金相檢驗等方法對其斷裂原因進行研究。結果表明:推力墊圈與保持架發(fā)生滑動磨損,在 較高的旋轉軸向應力作用下,推力墊圈發(fā)生斷裂。
關鍵詞:推力滾針軸承;推力墊圈;脆性斷裂;滑動磨損
中圖分類號:TB31;TG115.2 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)06-0063-03
推力滾針軸承為滾動軸承的一種,由帶滾針或 圓柱滾子、滾珠的推力保持架和推力墊圈組成[1]。 推力滾針軸承具有體積小、承受載荷能力大、質量 小、轉速高、運轉平穩(wěn)、回轉力矩較小等優(yōu)點,被廣泛 應用。
推力墊圈為推力軸承的重要零部件,其質量直 接關系到整個推力軸承的壽命[2]。
某型號推力滾針軸承在疲勞試驗過程中運行 2.5萬次后發(fā)生斷裂,拆解該推力滾針軸承后,發(fā)現(xiàn) 推力墊圈和保持架均發(fā)生斷裂。
疲勞試驗過程中,推力滾針軸承的額定載荷為 13.9kN,實際載荷為19~20kN。
推力墊圈材料為 GCr15鋼,其加工工藝為:棒 材→車削加工→熱處理→磨削加工→表面發(fā)黑處 理,其硬度為58~62HRC,顯微組織為細針狀回火 馬氏體+極其少量的殘余奧氏體。筆者采用一系列 理化檢驗方法分析了該推力墊圈的斷裂原因,以防 止該類問題再次發(fā)生。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
推力滾針軸承宏觀形貌如圖1所示,斷裂的推 力墊圈宏觀形貌如圖2所示。
斷裂的推力墊圈與保持架接觸面有明顯的磨損 痕跡及回火色,呈現(xiàn)彎曲特征,彎曲方向為軸向,推 力墊圈斷口齊平,色澤一致,裂紋源為墊圈磨損表面 (見圖3)。
斷裂保持架破損嚴重,與推力墊圈接觸部位明顯可見磨損痕跡,裂紋擴展方向與該推力滾針軸承 工作時的向心力方向一致(見圖4)。
1.2 化學成分分析
利用直讀光譜儀對斷裂推力墊圈的化學成分進 行分析,結果如表1所示。由表1可知:各元素質量 分數(shù)符合 GB/T18254—2016 《高碳鉻軸承鋼》的 要求。
1.3 掃描電鏡(SEM)分析
將斷裂的推力墊圈和保持架清洗、烘干后,放置 在場發(fā)射掃描電鏡下觀察,結果如圖5~6所示。由 圖5~6可知:推力墊圈的斷口未見明顯塑性變形, 呈沿晶斷裂特征;保持架內圈斷口可見清晰的疲勞 條帶,且呈高應力低周疲勞斷裂特征。
1.4 硬度測試
利用洛氏硬度計對斷裂推力墊圈進行表面硬度測試,載荷為1500N,誤差為±0.5HRC,測試結果 如表2所示。
由表2可知:未磨損推力墊圈表面硬度和磨損 推力墊圈表面硬度均滿足技術要求,且兩者硬度相 差較小。
1.5 金相檢驗
對斷裂推力墊圈斷口進行金相檢驗,試樣經(jīng)打 磨、拋光后,利用光學顯微鏡對其進行觀察,結果如圖 7所示,由圖7可知:推力墊圈存在D類細系0.5級夾 雜物,未見其他非金屬夾雜物,整體純凈度較好。
試樣經(jīng)過4%(體積分數(shù))硝酸乙醇溶液腐蝕 后,利用光學顯微鏡對其進行觀察,結果如圖8所 示,由圖8可知:推力墊圈顯微組織為回火馬氏體+ 極其少量的殘余奧氏體。
2 綜合分析
推力墊圈的化學成分和硬度均符合技術要求, 但整體硬度偏高,在高應力快速斷裂過程中,其組織 呈現(xiàn)出脆性斷裂特征[3]。推力墊圈基體組織正常, 未見異常組織。在較高的應力載荷作用下,推力墊 圈快速斷裂,裂紋起源于墊圈磨損表面。
由于該推力軸承保持架發(fā)生早期疲勞斷裂,導 致保持架和推力墊圈發(fā)生異常磨損[4],推力墊圈發(fā) 生早期脆性斷裂失效,進而引發(fā)推力滾針軸承運行 不平穩(wěn)[5]。該滾針軸承在運轉時承載了較高的旋轉 軸向應力,致使推力墊圈、滾針之間發(fā)生滑動磨損, 最終導致推力墊圈斷裂。
3 結論
(1)該推力滾針軸承在運轉過程中承受較高的 旋轉軸向應力,引起保持架發(fā)生早期疲勞失效,導致 保持架和推力墊圈之間發(fā)生滑動磨損。
(2)該滾針軸承墊圈發(fā)生脆性斷裂,產(chǎn)生原因 是墊圈和保持架發(fā)生異常磨損,造成墊圈在早期服 役期間發(fā)生斷裂。
(3)墊圈本身硬度大,增加了墊圈的應力敏感 性,較大的應力也是表面發(fā)生脆性斷裂的原因。
參考文獻:
[1] 雷建中,梅亞莉,賴維明,等.摩托車軸承保持架表面 處理后組織與性能[J].軸承,2002(8):33-35.
[2] 李浩東.推力滾針軸承失效分析及試驗研究[D].廣 州:華南理工大學,2013.
[3] 楊曉剛,王旭永,扈文莊.推力滾針軸承墊圈厚度誤差 對接觸應力的影響[J].軸承,2015(12):11-13.
[4] 梁華,張延芳,梁林霞.軸承保持架斷裂原因分析[J]. 金屬熱處理,2005,30(3):80-82.
[5] 程林,疏劍,楊章林,等.2404730504型推力滾針軸承 失效原因分析[J].鹽城工學院學報(自然科學版), 2020,33(2):36-40.