水泥设备用调心滚子轴承的失效分析

水泥设备用调心滚子轴承的失效分析

莫道圣

苏州中材建设有限公司江苏苏州215300

摘要：轴承在水泥行业中主要面临着冲击负荷以及污染物入侵的危险，因此为了确保轴承在使用过程中的安全，本文对水泥设备用调心滚子轴承的失效进行分析。对水泥设备用调心滚子轴承失效过程的分析主要采用外观检查、硬度检测、金相以及断口分析等检验方法，而检验结果表明轴承失效的原因为热裂，造成轴承热裂的原因在于轴承在运转的过程中发生了偏转，使其挤压摩擦后产生大量热量，改变了材料的物理性能，最终造成轴承出现裂纹并发生断裂。

关键词：水泥设备；调心滚子轴承；失效分析

一、水泥设备用调心滚子轴承失效原因检查

（一）外观检查

对水泥设备用调心滚子轴承的外观进行检查，主要包括完整的外圈1件、内圈碎片4块、轴套1件、滚子14粒以及保持架。本文对水泥设备用调心滚子的失效轴承进行外观检测，发现外圈端面直到滚道表面存在一道裂纹，并且外圈滚道上的运转轨迹出现偏斜，滚道表面也存在烧伤的状况。4块内圈碎片损坏的表面状况相同，均为下滚道表面至中间挡边出现了一个裂纹，并且上滚道的表面颜色呈现黑色，伴有烧伤以及剥落坑的现象，挤压变形痕迹的间距在60mm左右，宽度在20mm左右。14粒滚子的表面出现了较为严重的腐蚀或者锈迹，其表面均存在挤压和变形的痕迹。保持架的表面也出现了较为严重的腐蚀，且存在断裂现象。

（二）硬度、非金属夹杂物以及碳化物不均匀性检测

本次研究分别对内圈、外圈应滚子的硬度进行检测。其中外圈的标准值为58-64，本次实测值为58.7、58.6、58.9；而同一零件硬度差的标准值等于3及以下，本次实测值为0.2。内圈的标准值为58-64，本次实测值为59.9、59.2、59.9；而同一零件硬度差的标准值等于3及以下，本次实测值为0.7。滚子的标准值为57-63，本次实测值为61.3、61.2、61.8；而同一零件硬度差的标准值等于2及以下，本次实测值为0.6。硬度指标均符合高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理技术条件的相关要求。

本次研究分别对内圈、外圈应滚子的非金属夹杂物以及碳化物不均匀性进行检测。其中外圈的非金属夹杂物检查中，硫化物的细系为1.1，粗系为1.1，氧化物的细系为0.6，粗系为0，硅酸盐的细系低于0.5，粗系为0，点状不变形的细系为0.6，粗系为0；而在碳化物不均匀性的检测中，带状为1.1，液析在0.5以下。内圈的非金属夹杂物检查中，硫化物的细系低于1.1，粗系为0.6，氧化物的细系为0.6，粗系低于0.5，硅酸盐的细系低于0.5，粗系为0，点状不变形的细系为0.6，粗系为0.6；而在碳化物不均匀性的检测中，带状为1.1，液析在0.5以下。滚子的非金属夹杂物检查中，硫化物的细系低于1.5，粗系为1.6，氧化物的细系低于1.1，粗系为0，硅酸盐的细系低于0.5，粗系为0，点状不变形的细系为0.6，粗系为0；而在碳化物不均匀性的检测中，带状为2.1，液析在0.5以下。所有指标均符合高碳铬轴承钢的相关要求。

（三）显微组织检查

将轴承放置于金相显微镜下，并将其放大500倍进行观察，主要对内圈、外圈以及滚子进行金相组织检验评定。外圈以及滚子在金相显微镜下的组织包括细小结晶、隐晶及少量细小针状马氏体、残留碳化物以及少量奥氏体，其中碳化物网状均为2级，所有指标均符合高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理技术条件的相关要求。而内圈在金相显微镜下的组织包括粗大针状、高温回火及回火马氏体、残余奥氏体以及粒状碳化物，其中内圈的碳化物网状在显微镜下呈现出封闭状，不符合高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理技术条件的相关要求。因此，我们可以判定，内圈基本已经被烧伤，不存在内圈的原始组织。

切割内圈滚道面的裂纹，并将其磨制成金相试样，在显微镜下我们发现裂纹周围组织为共晶莱氏体以及魏氏体，次表层组织为粗大针状马氏体以及残余奥氏体组织。这说明轴承在使用的过程中其滚道表层的温度在1200℃以上，造成组织的过烧状态。除此之外，本次研究对内圈和外圈按照高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理技术条件的相关要求对其进行了热酸洗检验。在检验的过程中我们发现，内圈的滚道表面中部呈现浅灰色，并且存在细小裂纹，而这部分我们即可断定为烧伤以及烧伤裂纹。

（四）扫描电镜

本次研究对内圈的滚道采用扫描电子显微镜进行观察，发现内圈滚道的挤压坑表面存在相对平行的裂纹，这说明内圈工作表面烧伤后，使得其材料组织以及强度发生变化，从而产生细小裂纹。

二、水泥设备用调心滚子轴承的失效分析

（一）产生裂纹原因

从上述对内圈、外圈以及滚子的检验结果可知，水泥设备用调心滚子失效轴承在检测过程中发现内圈滚道表面辗压变形痕迹偏向挡边，轴承在运行的过程中其工作表面均被烧伤。除此之外，套圈的表面也产生了裂纹，与此同时内圈及滚子的表面均产生塑性变形，并产生了大量的细小裂纹。这些现象充分地说明了水泥设备用调心滚子轴承失效的原因在于其工作表面在运行的过程中因被烧伤而变质，从而产生大量的裂纹并发生断裂失效，因此可以将轴承的失效断定为热裂。水泥设备用调心滚子失效轴承在使用的过程中，在面对重载、大冲击载荷以及多粉尘等较为恶劣的工作环境下，轴承发生偏转，将会造成内部间隙的不足，从而影响到轴承的自动调心功能，造成轴承的受力不均，而一旦滚子与滚道之间产生了挤压，便会加大轴承局部的受载。轴承在运行过程中滚子与滚道之间的挤压摩擦将产生大量的摩擦热，而润滑油却无法带走更多的热量，便会在一定程度上升高滚子、内圈以及外圈的温度。但随着轴承温度的升高将会在一定程度上破坏已经形成的润滑油膜，滚子与套圈之间将会出现干摩擦，增加了产生的热量，而无法散出的热量将会急剧升高内圈、外圈以及滚子的温度，使内圈的滚道表面层进行二次淬火。而轴承运转过程中由于急剧升高的温度使得材料组织及强度出现了变化，这样便会造成材料出现裂纹。以至于轴承在后来的运转中，不断地扩展裂纹，直到断裂。

（二）网状碳化物

网状碳化物会在一定程度上削弱金属基体晶粒之间的联系，降低轴承钢的力学性能，尤其是降低轴承钢的耐冲击性能。除此之外，随着网状碳化物严重程度增加，将会降低其冲击韧性以及接触疲劳的强度。本次研究的轴承内圈部分碳化物网状已经呈现出封闭状，这说明，此对水泥设备用调心滚子轴承的内圈抗冲击性能以及接触疲劳的强度较低。

总结：

对水泥设备用调心滚子轴承在运行过程中出现轴承失效的主要原因在于轴承在运转中发生偏转，受力不均而产生大量的摩擦热，从而造成内圈、外圈以及滚子温度的升高，改变其材料物理性能，导致裂纹的出现。除此之外，内圈碳化物网状降低了内圈抗冲击性能以及接触疲劳的强度。因此，在安装轴承的过程中，要确保使其处于正确位置并调整径向游隙，并保证轴承在运行的过程中润滑始终处于良好状态。

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