滚动轴承常见的失效形式及原因分析

滚动轴承常见的失效形式及原因分析+浪逐风尖
2008-11-05 10:55
滚动轴承在使用过程中,由于很多原因造成其性能指标达不到使用要求时就产生了失效或损坏.常见的失效形式有疲劳剥落、磨损、塑性变形、腐蚀、烧伤、电腐蚀、保持架损坏等。

一，疲劳剥落
疲劳有许多类型，对于滚动轴承来说主要是指接触疲劳。

滚动轴承套圈各滚动体表面在接触应力的反复作用下，其滚动表面金属从金属基体呈点状或片状剥落下来的现象称为疲劳剥落。

点蚀也是由于材料疲劳引起一种疲劳现象，但形状尺寸很小，点蚀扩展后将形成疲劳剥落。

疲劳剥落的形态特征一般具有一定的深度和面积，使滚动表面呈凹凸不平的鳞状，有尖锐的沟角．通常呈显疲劳扩展特征的海滩装纹路．产生部位主要出现在套圈和滚动体的滚动表面．
轴承疲劳失效的机理很复杂，也出现了多种分析理论，如最大静态剪应力理论、最大动态剪应力理论、切向力理论、表面微小裂纹理论、油膜剥落理论、沟道表面弯曲理论、热应力理论等。

这些理论中没有一个理论能够全面解释疲劳的各种现象，只能对其中的部分现象作出解释。

目前对疲劳失效机理比较统一的观点有：
1、次表面起源型次表面起源型认为轴承在滚动接触部位形成油膜的条件下运转
时，滚动表面是以内部（次表面）为起源产生的疲劳剥落。

2、表面起源型
表面起源型认为轴承在滚动接触部位未形成油膜或在边界润滑状态下运转时，滚动表面是以表面为起源产生的疲劳剥落。

3、工程模型
工程模型认为在一般工作条件下，轴承的疲劳是次表面起源型和表面起源型共同作用的结果。

疲劳产生的原因错综复杂，影响因素也很多，有与轴承制造有关的因素，如产品设计、材料选用、制造工艺和制造质量等；也有与轴承使用有关的因素，如轴承选型、安装、配合、润滑、密封、维护等。

具体因素如下：
A、制造因素
1、产品结构设计的影响
产品的结构设计是根据使用性能目标值来确定的，这些目标值如载荷容量、寿命、精度、可靠性、振动、磨损、摩擦力矩等。

在设计时，由于各种原因，会造成产品设计与使用的不适用或脱节，甚至偏离了目标值，这种情况很容易造成产品的早期失效。

2、材料品质的影响
轴承工作时，零件滚动表面承受周期性交变载荷或冲击载荷。

由于零件之间的接触面积很小，因此，会产生极高的接触应力。

在接触应力反复作用下，零件工作表面将产生接触疲劳而导致金属剥落。

就材料本身的品质来讲，其表面缺陷有裂纹、表面夹渣、折叠、结疤、氧化皮和毛
刺等，内部缺陷有严重偏析和疏松、显微孔隙、缩孔、气泡、白点、过烧等，这些缺陷都是造成轴承早期疲劳剥落的主要原因。

在材料品质中，另一个主要影响轴承疲劳性能的因素是材料的纯洁度，其具体表现为钢中含氧量的多少及夹杂物的数量多少、大小和分布上。

3、热处理质量的影响
轴承热处理包括正火、退火、渗碳、淬火、回火、附加回火等。

其质量直接关系到后续的加工质量及产品的使用性能。

4、加工质量的影响
首先是钢材金属流线的影响。

钢材在轧制或锻造过程中，其晶粒沿主变形方向被拉长，形成了所谓的钢材流线（纤维）组织。

试验表明，该流线方向平行于套圈工作表面的与垂直的相比，其疲劳寿命可相差2。

5 倍。

其次是磨削变质层。

磨削变质层对轴承的疲劳寿命与磨损寿命有很大的影响。

变质层的产生使材料表面层的组织结构和应力分布发生变化，导致表面层的硬度下降、烧伤，甚至微裂纹，从而对轴承疲劳寿命产生影响。

受冷热加工条件及质量控制的影响，产品在加工过程中会出现质量不稳定或加工
误差，如热加工的材料淬、回火组织达不到工艺要求、硬度不均匀和降低，
冷加工的几何精度超差、工作表面的烧伤、机械伤、锈蚀、清洁底低等，会造成
轴承零件接触不良、应力集中或承载能力下降，从而对轴承疲劳寿命产生不同
程度的影响。

B、使用因素
使用因素主要包括轴承选型、安装、配合、润滑、密封、维护等。

不正确的安装方法很容易造成成轴承损坏或零件局部受力产生应力集中，引起疲劳。

过大的配合过盈量容易造成内圈滚道面张力增加及零件抗疲劳能力下降，甚至出现断裂。

润滑不良会引起不正常的摩擦磨损，并产生大量的热量，影响材料组织和润滑剂性能。

如果润滑不当，即便选用再好的材料制造，加工精度再高，也起不到提高轴承寿命的效果。

密封不良容易使杂质进入轴承内部，既影响零件之间的正常接触形成疲劳源，又影响润滑或污染润滑剂。

根据疲劳产生的机理和主要影响因素，可以有针对性地提出预防措施。

如对表面起源损伤引起的疲劳，可以通过对零件表面进行表面强化处理，对次表面起源型疲劳可以通过改善材料品质等措施。

而提高零件加工质量尤其是零件表面质量、提高使用质量、控制杂质流入轴承内部、保证润滑质量等措施对预防和延缓疲劳都有十分重要的意义二、表面塑性变形
表面塑性变形主要是指零件表面由于压力作用形成的机械损伤。

在接触表面上，当滑动速度比滚动速度小得多的时候会产生表面塑性变形。

表面塑性变形分为一般表面塑性变形和局部表面塑性变形两类。

A、一般表面塑性变形
是由于粗糙表面互相滚动和滑动，同时，使粗糙表面不断产生塑性碰撞所造成，其结果形成了冷轧表面，从外观上看，这种冷轧表面已被辗光，但是，如果辗光现象比较严重，在冷轧表面上容易形成大量浅裂纹，浅裂纹进一步发展可能（在粗糙表面区域区）导致显微剥落,但这种剥落很浅,只有几个微米,它能够覆盖很宽的接触表面.
根据弹性流体动压润滑理论,一般表面塑性变形产生的原因是由于两个粗糙表面直接接触,其间没有形成承载的弹性流体动压润滑膜.因此,当油膜润滑参数小于一定值时,将产生的一般表面塑性变形.一般油膜润滑参数值越小表面塑性变形越严重.
B、局部表面塑性变形
局部表面塑性变形是发生在摩擦表面的原有缺陷附近。

最常见的原有缺陷，如压坑（痕）、磕碰伤、擦伤、划伤等。

1、压坑（痕）
压坑（痕）是由于在压力作用下硬质固体物侵入零件表面产生的凹坑（痕）现象。

压坑（痕）的形态特征是：形状和大小不一，有一定深度，压坑（痕）边缘有轻微凸起，边缘较光滑。

硬质固体特的来源是轴承零件在运转中产生的金属颗粒、密封不良造成轴承外部杂质侵入。

压坑（痕）产生的部位主要在零件的工作表面上。

预防压坑（痕）的措施主要有：提高零件的加工精度和轴承的清洁度、改善润滑、
提高密封质量等。

2、磕碰伤
磕碰伤是由于两个硬质特体相互撞击形成的凹坑现象。

磕碰伤的形态特征视两物体形状和相互撞击力的不同其形状和大小不一，但有一定深度，在其边缘处常有突起。

磕碰伤主要是操作不当引起的。

产生部位可以在零件的所有表面上。

预防磕碰伤的措施主要有：提高操作者的责任心、规范操作、改进产品容器的结构和增加零件的保护措施等。

3、擦伤。