調(diào)溫水泵軸承開裂失效分析

孟慶武，趙生利，曹君臣，周 健，盧佳欣

(1. 東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2. 中國石油天然氣股份有限公司大慶石化分公司塑料廠，黑龍江 大慶 163714)

軸承是動(dòng)設(shè)備的一種重要部件，功能是支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，降低轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力，并保證其回轉(zhuǎn)精度。當(dāng)軸承發(fā)生失效時(shí)，動(dòng)設(shè)備就會(huì)發(fā)生故障，甚至造成重大事故【1-4】。2018年9月17日15：25，某石化公司塑料廠線性車間技術(shù)人員在巡檢過程中，發(fā)現(xiàn)車間廠房有煙氣，將設(shè)備緊急停機(jī)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)1臺(tái)調(diào)溫水泵的軸承箱出現(xiàn)問題，后部軸承處過熱變色；檢查水泵發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)補(bǔ)油杯油量充足，而油杯與泵的連接油管內(nèi)油已經(jīng)變黑。將水泵軸承箱解體檢查發(fā)現(xiàn)，泵軸上安裝的7314型角接觸球軸承的內(nèi)圈發(fā)生開裂。

該調(diào)溫水泵為進(jìn)口離心泵，泵軸轉(zhuǎn)速1 500 r/min。2018年8月大檢修時(shí)更換了新軸承，為NSK公司進(jìn)口軸承。更換新軸承后，從9月8日水泵啟機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)， 到9月17日故障停機(jī)，累計(jì)運(yùn)行僅217 h。為了查明水泵軸承開裂的原因，對(duì)失效軸承內(nèi)圈進(jìn)行了檢測分析，同時(shí)采取相應(yīng)技術(shù)措施，消除類似的安全隱患。

1 軸承內(nèi)圈宏觀檢查分析

圖1所示為水泵軸上的軸承內(nèi)圈開裂情況。圖2所示為拆卸下來的軸承內(nèi)圈。圖3所示為軸承內(nèi)圈的斷口宏觀形貌。圖4所示為軸承內(nèi)圈的沖擊新斷口宏觀形貌。

由圖1可以看出，水泵軸上的失效軸承內(nèi)圈部位過熱變色。檢查水泵自動(dòng)補(bǔ)油杯，結(jié)果顯示，其油量充足，但油杯與泵的連接油管內(nèi)的油已經(jīng)變黑。這一現(xiàn)象說明，不是軸承潤滑系統(tǒng)出現(xiàn)了問題，而是軸承自身出現(xiàn)問題造成過熱。失效軸承的外圈基本完好，無開裂現(xiàn)象。由圖2可以看出，軸承內(nèi)圈沿著軸向開裂，斷口附近基本無壁厚減薄等大變形情況，在外壁滾道處有一定程度的碾壓塑性變形。開裂的軸承內(nèi)圈被拆卸下來后，依然殘留3 mm的開口狀態(tài)，說明內(nèi)圈環(huán)向內(nèi)應(yīng)力較大。由圖2和圖3還可以看出，軸承內(nèi)圈的內(nèi)、外壁表面均顏色發(fā)黑。這是內(nèi)圈開裂后在繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中由于摩擦生熱造成的。

圖1 水泵軸上的軸承內(nèi)圈開裂情況

由圖3可以看出，軸承內(nèi)圈的斷口與軸線平行，大部分區(qū)域基本與環(huán)向垂直。軸承內(nèi)圈的斷口宏觀形態(tài)分為3個(gè)區(qū)域：局部裂紋源區(qū)、大范圍擴(kuò)展區(qū)和少部分最后瞬斷區(qū)，斷口形貌符合疲勞斷口特征【5-6】。按照斷口顏色暗度以及裂紋擴(kuò)展紋理路徑方向，確認(rèn)裂紋最初萌生于遠(yuǎn)離凸緣一側(cè)的外壁微小區(qū)域，即裂紋源區(qū)。內(nèi)圈靠近內(nèi)壁有一窄條斜面斷口，顏色與平斷口不同，判斷為最后斷裂位置，即瞬斷區(qū)。內(nèi)圈剩余大部分區(qū)域?yàn)槠綌嗫冢瑢儆诹鸭y萌生后的擴(kuò)展階段，即擴(kuò)展區(qū)。

圖2 拆卸下來的軸承內(nèi)圈

圖3 軸承內(nèi)圈的斷口宏觀形貌

圖4 軸承內(nèi)圈的沖擊新斷口宏觀形貌

軸承內(nèi)圈試樣截取時(shí)只切割一多半截面，剩余部分采用錘擊的方法沖斷，以檢驗(yàn)其是否具有較大脆性(因內(nèi)圈尺寸過小，無法制備標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣)。錘擊時(shí)發(fā)現(xiàn)，內(nèi)圈試樣極易沖斷，并且由圖4可以看出，錘擊沖斷試樣的新斷口也基本無塑性變形，沖擊打開的新斷口大部分區(qū)域顏色光亮，說明其脆性較大。

2 內(nèi)圈斷口微觀檢測分析

圖5所示為原始斷口擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌。圖6 所示為新斷口外壁側(cè)的微觀形貌。圖7所示為新斷口上的夾雜物微觀形貌。

圖5 原始斷口擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌(500×)

圖6 新斷口外壁側(cè)的微觀形貌(20×)

圖7 新斷口上的夾雜物微觀形貌(1 500×)

由圖5內(nèi)圈原始斷口微觀形貌可以看出，由于軸承內(nèi)圈開裂的斷口表面氧化嚴(yán)重，遮蓋了原始裂紋擴(kuò)展的微觀形貌，無法觀察到微觀形貌特征，即無法找到疲勞斷口的疲勞輝紋特征以及應(yīng)力腐蝕斷口的二次裂紋特征。因此，選用內(nèi)圈沖擊得到的新斷口，利用掃描電鏡來分析斷口微觀缺陷。

由圖6內(nèi)圈新斷口低倍微觀形貌圖片可以看出，內(nèi)圈新斷口遠(yuǎn)離凸緣一側(cè)的外壁附近(對(duì)應(yīng)原始斷口裂紋源區(qū))區(qū)域存在明顯的條帶狀溝痕形態(tài)。由圖7新斷口高倍微觀形貌圖片可以看出，這些溝痕是條帶狀非金屬夾雜物形成的，并且還有一些顆粒狀非金屬夾雜物。軸承內(nèi)圈材質(zhì)中含有過多的非金屬夾雜物，會(huì)大大降低內(nèi)圈的強(qiáng)度，增大內(nèi)圈脆性。

3 軸承內(nèi)圈硬度檢測分析

選取2個(gè)內(nèi)圈試件，用洛氏硬度計(jì)檢測硬度，每個(gè)試件測5組硬度值。軸承內(nèi)圈硬度檢測結(jié)果見表1。

表1 軸承內(nèi)圈的硬度檢測結(jié)果 單位：HRC

由表1可以看出，內(nèi)圈的硬度分布不均，檢測得到的洛氏硬度范圍在32～48 HRC之間，不但同一部位硬度差值較大，而且表面硬度普遍低于內(nèi)部硬度，這與常規(guī)軸承鋼的硬度(表面硬度高于內(nèi)部)完全相反。

軸承內(nèi)圈的表面硬度嚴(yán)重偏低，遠(yuǎn)低于GB/T 18254—2002規(guī)定的軸承鋼的硬度范圍(一般硬度≥60 HRC)。但是，根據(jù)內(nèi)圈硬度表面低于內(nèi)部的反?，F(xiàn)象以及內(nèi)圈滾道處碾壓變色情況，推斷內(nèi)圈表面硬度偏低可能是由于開裂后摩擦生熱產(chǎn)生熱處理效應(yīng)造成的，并非內(nèi)圈材質(zhì)原始硬度偏低。因此，決定對(duì)該內(nèi)圈材質(zhì)進(jìn)行金相組織檢測分析以驗(yàn)證此推斷是否準(zhǔn)確。

4 內(nèi)圈金相組織檢測分析

截取軸承內(nèi)圈試樣，經(jīng)金相砂紙研磨和金剛石拋光后，用4%硝酸酒精浸蝕，制備成金相試樣，然后采用金相顯微鏡對(duì)試樣的微觀缺陷和金相組織進(jìn)行分析。內(nèi)圈局部夾雜物微觀形貌見圖8。內(nèi)圈金相組織微觀形貌見圖9。

圖8 內(nèi)圈局部夾雜物微觀形貌(100×)

圖9 內(nèi)圈金相組織微觀形貌(500×)

由圖8和圖9可以看出，軸承內(nèi)圈局部區(qū)域微觀組織中非金屬夾雜物過多。參照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定》的規(guī)定，顆粒夾雜物按照D類夾雜物評(píng)級(jí)為3.0級(jí)，條帶狀?yuàn)A雜物按照C類夾雜物評(píng)級(jí)為2.5級(jí)。軸承內(nèi)圈材質(zhì)中的非金屬夾雜物過多，不但大大降低了其局部承載強(qiáng)度，而且會(huì)增大內(nèi)圈的脆性。

由圖9可以看出，軸承內(nèi)圈芯部的金相組織為隱針馬氏體+顆粒碳化物，這屬于軸承鋼常用的淬火+低溫回火的熱處理組織，內(nèi)圈金相組織形態(tài)基本正常。

5 失效分析與結(jié)論

塑料廠線性車間提供的監(jiān)測數(shù)據(jù)和巡查記錄表明，2018年9月8日水泵更換新軸承后投用～9月17日15:00之間水泵振動(dòng)和軸承溫度等工況運(yùn)行穩(wěn)定無異常，說明這期間軸承內(nèi)圈未斷裂。由此推斷,安裝時(shí)的原始軸承內(nèi)圈無開裂的可能性，即不是安裝因素造成軸承開裂，而是在使用過程中內(nèi)圈萌生裂紋并不斷擴(kuò)展，最終發(fā)生斷裂。

軸承內(nèi)圈斷口基本無塑性變形，顯示脆性斷裂特征。內(nèi)圈斷口宏觀形態(tài)分為裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，斷口宏觀形貌符合疲勞斷口特征。由于斷口微觀形貌高溫氧化嚴(yán)重，因此無法找到明顯的疲勞輝紋。但是，因軸承潤滑油基本無腐蝕性，因此可排除應(yīng)力腐蝕的可能性。由于軸承具有在滾珠碾壓下賦予內(nèi)圈交變疲勞載荷特點(diǎn)，且水泵軸運(yùn)轉(zhuǎn)周次也高達(dá)1 500 r/min×60 min×217 h=1.953×107周次，疲勞周期足夠長。由此確定，軸承開裂失效性質(zhì)為機(jī)械疲勞。

軸承內(nèi)圈微觀組織檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，內(nèi)圈局部區(qū)域存在非金屬夾雜物過多現(xiàn)象。按照GB/T 10561—2005判定，主要為C類條帶狀和D類顆粒狀?yuàn)A雜物嚴(yán)重超標(biāo)，這是內(nèi)圈原始材質(zhì)缺陷。這些局部夾雜物過多不但削弱了內(nèi)圈的承載能力，而且會(huì)增大內(nèi)圈脆性，這是造成內(nèi)圈短時(shí)間發(fā)生疲勞開裂的主要原因。

根據(jù)軸承內(nèi)圈失效原因，針對(duì)同批次進(jìn)口軸承備件進(jìn)行了排查和微觀組織抽查檢測，未再發(fā)現(xiàn)類似的組織中非金屬夾雜物過多現(xiàn)象，說明這是一次偶然質(zhì)量問題造成的失效事故。將相關(guān)檢測結(jié)果發(fā)送給了軸承供貨廠家，提醒其嚴(yán)控軸承質(zhì)量，避免類似材質(zhì)缺陷問題。