數(shù)控機床主軸軸承失效分析

李天夫， 屈 伸， 董 晨， 張哲峰

(中國科學(xué)院 金屬研究所， 遼寧 沈陽 110016)

滾動軸承是各類機械傳動系統(tǒng)中的重要部件，既用于支承軸及其零件，保持軸的旋轉(zhuǎn)精度，又用于減少軸與其支承的摩擦磨損，軸承的好壞很大程度上影響著工程機械的質(zhì)量[1-4]。數(shù)控機床主軸軸承一般采用角接觸球軸承[5]。精密機床主軸軸承的運轉(zhuǎn)精度要求較高，因此在機床運行過程中，一般將機床的精度壽命作為其額定使用壽命，即軸承能保持其穩(wěn)定精度的工作時間[6]。一般對未達到其額定使用壽命的軸承，即可認(rèn)定其發(fā)生早期失效。精密機床主軸軸承早期失效的失效形式有接觸疲勞失效、斷裂失效、腐蝕失效、塑性變形失效等[7]。精密機床軸承失效多屬于精度壽命失效，精度失效往往沒有明顯的失效特征，很難確定失效機制及失效原因。對于精密軸承來說，異物導(dǎo)致的損傷失效不常見，因此對該類失效機制研究非常重要，對后續(xù)機床軸承早期失效分析工作也可以提供借鑒作用。

1 宏觀觀察

某高速數(shù)控機床的主軸軸承在運行613 h后出現(xiàn)異常振動，判斷其發(fā)生早期失效。失效軸承為角接觸球軸承，由內(nèi)外圈、保持架及19顆鋼球組成，內(nèi)外圈及鋼球材料為GCr15鋼，保持架為酚醛層壓布管保持架?，F(xiàn)將失效軸承換下進行解剖分析，拆解后的軸承內(nèi)外圈及鋼球形貌如圖1所示。由圖1可見，軸承內(nèi)外圈滾道表面無明顯損傷剝落形貌(見圖1(a,b))，個別鋼球表面存在明顯損傷痕跡，損傷處形狀不規(guī)則，且顏色較暗(如圖1(c)中箭頭所指)。鋼球損傷是軸承早期失效的主要因素。

圖1 失效軸承各部件的損傷宏觀形貌(a)內(nèi)圈滾道表面；(b)外圈滾道表面；(c)鋼球損傷Fig.1 Damage macromorphologies of the failed bearing components(a) surface of inner ring raceway; (b) surface of outer ring raceway; (c) damage morphology of steel ball

2 檢測分析

2.1 化學(xué)成分分析

對失效軸承內(nèi)外圈及鋼球取樣進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。根據(jù)GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》，內(nèi)外圈及鋼球材料化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 失效軸承各部件的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.2 微觀分析

用JEOL 6510掃描電鏡(SEM)對圖1中內(nèi)外圈樣品的滾道表面進行放大觀察，內(nèi)圈滾道表面局部可見較淺的凹坑形貌(見圖2(a))，外圈滾道表面存在一處較深的劃痕，劃痕邊緣有破碎的材料(見圖2(b))，滾道其余部分未見明顯損傷形貌。

圖2 失效軸承內(nèi)外圈滾道表面損傷處微觀形貌(a)內(nèi)圈滾道表面凹坑;(b)外圈滾道表面劃痕Fig.2 Micromorphologies of the surface damage of inner and outer raceways of the failed bearing(a) pits on surface of inner raceway; (b) scratch on surface of outer raceway

對鋼球表面的損傷處進行放大觀察(圖3)可以發(fā)現(xiàn)，鋼球表面有一處較大的橢圓形剝落坑，其長度約為1.5 mm，且剝落坑邊緣有大量尺寸很小的麻點形貌，接觸表面的小麻點是點蝕失效的表現(xiàn)，點蝕失效為較常見的接觸疲勞失效形式[8-9]，由此可判斷該剝落坑為接觸疲勞引起的鋼球表面剝落。另外，剝落坑周圍有一圈少量深色附著物(見圖3(a))，在剝落坑附近存在幾條平行分布的深色附著物痕跡(見圖3(b))。鋼球表面其余部分未見明顯損傷痕跡。

圖3 失效軸承的鋼球表面損傷處微觀形貌(a)鋼球表面的剝落坑;(b)剝落坑附近的附著物痕跡Fig.3 Micromorphologies of the surface damage of the steel ball of the failed bearing(a) spalling pit on surface; (b) traces of attachment near the pit

2.3 能譜分析

選取軸承外圈劃痕邊緣的破碎材料部分及基體組織位置(見圖2(b))進行能譜分析，結(jié)果見圖4。由圖4 可知，劃痕邊緣處的破碎材料的化學(xué)成分與基體材料的化學(xué)成分基本一致，可以判斷劃痕邊緣的破碎材料為劃痕產(chǎn)生時基體材料被擠壓磨碎而成。

圖4 圖2中外圈滾道表面劃痕處的能譜(a)位置1;(b)位置2Fig.4 Energy spectrum of the surface scratch on outer raceway in Fig.2(a) position 1; (b) position 2

在鋼球表面剝落坑處選取坑內(nèi)、坑邊緣及鋼球基體3處位置(見圖3(a))和剝落坑附近的附著物痕跡3處位置(見圖3(b))進行能譜分析，結(jié)果見圖5。由圖5可知，鋼球表面的剝落坑處及附著物痕跡處均含有大量的O，表明兩處已發(fā)生嚴(yán)重氧化。在剝落坑和附著物處還發(fā)現(xiàn)一定量的Cu和Mo，且含量明顯高于基體組織中的含量，這可能是由外來物引入，附著物痕跡可能為外來物在鋼球表面的殘留痕跡。

圖5 圖3中鋼球表面損傷處各位置的能譜(a)位置3；(b)位置4；(c)位置5；(d)位置6；(e)位置7；(f)位置8Fig.5 Energy spectrum of the surface damage on steel ball in Fig.3 (a) position 3; (b) position 4; (c) position 5; (d) position 6; (e) position 7; (f) position 8

2.4 顯微組織分析

從軸承內(nèi)圈切取金相試樣，將截面拋光后用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液腐蝕，并用OLYMPUS BX53M光學(xué)顯微鏡觀察截面局部顯微形貌，如圖6中所示。由圖6可見，內(nèi)圈滾道表面局部有明顯的損傷凹痕，深度為若干微米。

圖6 失效軸承內(nèi)圈滾道局部表面凹痕Fig.6 Dents on local surface of inner raceway of the failed bearing

將圖3(a)所示鋼球表面損傷處自中間對半剖開，制成金相試樣并觀察截面組織形貌，如圖7所示。由圖7可見，鋼球表面的損傷凹坑深度大約100 μm，剝落坑表面有一層殘缺的白亮組織，在白亮組織下有一層深色的組織，經(jīng)顯微硬度計測試(載荷砝碼1 kg)，白亮組織(位置9)、深色組織(位置10)及基體(位置11)的硬度分別為1168.0、485.1和625.3 HV。從測試結(jié)果可見，白亮組織硬度很高，而深色組織的硬度則低于基體組織，根據(jù)朱旻昊等[10]的研究結(jié)果，白亮層應(yīng)為鋼球表面磨損產(chǎn)生的“白層”，而深色組織則為在磨損高溫下形成的回火層，并認(rèn)為“白層”的產(chǎn)生與摩擦熱導(dǎo)致的局部高溫和摩擦導(dǎo)致的表面層塑性變形有關(guān)，而在鋼球表面發(fā)現(xiàn)“白層”，則可以判斷在鋼球表面局部受到了較嚴(yán)重的磨損作用?！鞍讓印钡拇嘈院艽?，內(nèi)部易產(chǎn)生疲勞裂紋，Yang等[11]研究發(fā)現(xiàn)“白層”內(nèi)的裂紋在外力作用下沿“白層”-基體界面擴展，最終導(dǎo)致表面材料剝落。從圖7中觀察到的白亮組織為斷續(xù)狀，判斷其為剝落后殘留的“白層”組織，由于鋼球表面的附著物測出較高的Mo、Cu等外來元素，而摩擦副之間出現(xiàn)材料轉(zhuǎn)移是粘著磨損的典型特征，這表明鋼球與外來異物顆粒之間發(fā)生了嚴(yán)重的粘著磨損，而由于粘著磨損產(chǎn)生的局部高溫和表面層塑性變形也是鋼球表面產(chǎn)生“白層”的直接原因。

圖7 失效軸承的鋼球表面剝落坑的截面顯微組織形貌Fig.7 Metallographic morphology of spalling pit on surface of the steel ball of the failed baring

2.5 硬度測試

對軸承內(nèi)外圈及鋼球進行洛氏硬度測試(隨機取3個點)，測試結(jié)果見表2。由表2可知，軸承內(nèi)、外圈及鋼球的硬度均符合JB/T 1255—2014《滾動軸承高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件》要求。但根據(jù)JB/T 1255—2014標(biāo)準(zhǔn)要求，軸承圈套的硬度差不超過2 HRC、鋼球的硬度差不超過1 HRC。則由測試結(jié)果可知，軸承內(nèi)、外圈及鋼球的硬度差均不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，說明軸承材料硬度分布不太均勻。

表2 失效軸承各部件硬度(HRC)

3 失效機理

失效軸承內(nèi)、外圈滾道的表面損傷情況輕微，其中外圈損傷相對較重，局部存在較深劃痕，內(nèi)圈的滾道表面損傷較輕，僅存在個別較淺的劃痕以及微小凹坑。個別鋼球的表面存在明顯的剝落損傷，剝落坑邊緣分布有較多麻點，剝落坑內(nèi)部及附近的附著物含有較多Mo、Cu等外來元素，且顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)鋼球的剝落坑表面存在殘余的“白層”和回火層。根據(jù)觀察結(jié)果可以判斷鋼球表面損傷為本次軸承失效的主要原因。

軸承正常運轉(zhuǎn)時，由于油脂的潤滑作用，鋼球與內(nèi)、外圈滾道之間的接觸區(qū)內(nèi)有一層潤滑油膜，保護內(nèi)、外圈及滾珠減少接觸損傷。但當(dāng)外來的硬質(zhì)顆粒進入潤滑油脂或軸承內(nèi)部空間時，異物會隨著鋼球的滾動在滾道及鋼球表面引起破壞，在接觸面留下劃痕或凹坑。異物顆粒在鋼球和滾道之間聚集并被碾壓，在滾道表面形成較深的壓痕。異物顆粒進入接觸區(qū)形成粘著磨損，使接觸區(qū)內(nèi)的潤滑油膜局部發(fā)生破裂，接觸區(qū)內(nèi)的粗糙度明顯增大，表面粗糙度對疲勞強度影響很大，表面越粗糙越容易產(chǎn)生疲勞裂紋[12]。接觸區(qū)域的阻力增加導(dǎo)致軸承摩擦力矩的增加，阻力增加還使接觸區(qū)域的溫度逐漸升高，導(dǎo)致磨損加劇[13]，粘著磨損產(chǎn)生的局部高溫及表面層塑性變形使鋼球表面逐漸形成摩擦“白層”。在鋼球的高速運動過程中，脆性很大的“白層”內(nèi)部易萌生接觸疲勞裂紋，疲勞裂紋逐漸擴展導(dǎo)致鋼球表面發(fā)生剝落，最終導(dǎo)致失效。失效軸承的損傷機理如圖8所示。另外，失效軸承的內(nèi)外圈及鋼球的硬度差值超出標(biāo)準(zhǔn)值，軸承材料的硬度不均勻，在材料軟、硬界面處容易萌生裂紋，降低了鋼球的疲勞壽命，加速軸承的失效。

圖8 失效軸承的損傷機理示意圖Fig.8 Schematic diagram of damage mechanism of the failed bearing

4 結(jié)論

精密機床軸承失效是由于含Cu、Mo的異物顆粒進入軸承內(nèi)部與個別鋼球發(fā)生粘著磨損。由于粘著磨損引起的摩擦熱及表面層塑性變形導(dǎo)致鋼球表面產(chǎn)生摩擦“白層”，滾動體高速運動導(dǎo)致大脆性的“白層”內(nèi)部萌生接觸疲勞裂紋。疲勞裂紋擴展使鋼球表面形成較大的剝落坑，導(dǎo)致軸承運轉(zhuǎn)震動過大，引起精度失效。由于軸承套圈及鋼球的硬度不太均勻，加速了軸承的失效。因此建議對軸承添加防塵蓋或密封圈，提高潤滑油脂的潔凈度，避免外界異物污染軸承引起失效，并在實際生產(chǎn)中加強軸承材料的質(zhì)量控制。