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滚动轴承失效模式——磨损

轴承失效最好按照其失效的根本原因进行分类,但未必总是能够很容易地将原因与特征(症状)或者失效机理与失效模式一一对应,大量相关的文献也都证实了这一点(见参考文献)。基于使用中可见的明显特征外观,GB/T 24611—2020/ISO 15243 :2017将失效模式分为六大类和不同的小类(图1)。

图1 失效模式

磨损是指在使用过程中,两个滑动或滚动/滑动接触表面相互作用造成材料的不断移失


磨粒磨损(颗粒磨损;三体磨损)是存在硬颗粒时由于滑动产生的材料移失,当一硬的表面或颗粒滑过另一表面时,通过切削或犁沟作用而从该表面移除材料。磨损后表面会发生某种程度的变暗,磨粒的粗细和特性不同,变暗程度不同(图2)。由于旋转表面,可能还有保持架(图3)上的材料被磨掉,磨粒数量逐渐增多,最终磨损进入一个加速过程,从而导致轴承失效。

图2 调心滚子轴承内圈上的磨粒磨损

图3 金属实体保持架兜孔上进一步发展的磨粒磨损

虽然表面一般会有一定程度的变暗,但当磨粒非常细时会发生抛光效应,形成非常亮的表面(图4)

图4 圆锥滚子轴承滚子大端面和内圈大挡边表面及滚道上的磨粒磨损

注:滚动轴承的“跑合”是一自然的短期过程,此过程之后,运转状态(如噪声或工作温度)将趋于稳定,甚至得到改善。由此,运行轨迹可见,但这并非表示轴承受到损伤。


粘着磨损是材料从一表面转移到另一表面,并伴随有摩擦发热,有时还伴有表面回火或重新淬火。这一过程会产生局部应力集中并可能导致接触区开裂或剥落。


在润滑不充分的情况下,当发生滑动且摩擦带来的局部温升引起接触面粘着时,发生涂抹(滑伤、粘结、划伤、粗化),导致材料转移。    假如滚动体受载过小并在其再次进入承载区时受到强烈的加速作用,则在滚动体和滚道之间常常会发生涂抹(图5、图6)。在涂抹严重的情况下会发生咬粘。与磨粒磨损的逐渐积累过程相反,涂抹常常是突然发生。

图5 圆柱滚子轴承外圈滚道上的涂抹

图6 调心滚子轴承外圈滚道上的涂抹

由于润滑不充分,挡边面和滚子端面也会发生涂抹(图7)。对于满装滚动体(无保持架)轴承,受润滑和旋转条件的影响,滚动体之间的接触处同样会发生涂抹。

图7 圆柱滚子轴承滚子端面的涂抹

如果轴承套圈安装在轴上或轴承座中时,夹持力不足而导致套圈相对其支承面移动(蠕动),则会在轴承内径面、外径面或轴、轴承座孔支承面上发生涂抹(也称胶合)。由于两零件直径之间存在微小差异,造成其周长也存在微小差异。因此,相对于套圈旋转的径向载荷使两零件在一系列连续点处发生接触,两接触零件以微小差速相对转动。套圈相对其支承面以微小转速差所作的这种滚动运动称为“蠕动”。


发生蠕动时,套圈和支承面接触区内的粗糙峰被滚碾,使套圈表面呈现光亮外观。在蠕动过程中滚碾经常发生,但不总是伴有套圈和支承面接触处的滑动,因而还可看到其他损伤,如擦伤印痕、微动磨蚀和磨损。在某些承载条件下,当套圈和支承面之间的过盈量不够大时,则以微动磨蚀为主。


此外,径向采用间隙配合时,套圈端面和其轴向邻接面之间也会发生蠕动,严重时导致横向热裂纹,最终引起套圈开裂。


相关术语的解释:

磨损(wear): 在使用过程中材料从一固体表面逐渐移失,一般是该表面和一接触物体或多个物体间的相对运动引起材料的逐渐移失。


磨粒磨损(abrasive wear): 由于润滑不充分及(外部)颗粒的侵入,使材料逐渐移失。表面会有某种程度的变暗,变暗程度因磨粒的粗细及特性而不同。


三体磨损(three-body wear): 当颗粒不受限、且可在表面自由滚动、滑动并同时和两接触表面相互作用时发生的一种磨粒磨损。


硬颗粒(hard particle):如来自磨削过程(如砂轮)的砂及颗粒。


犁沟(ploughing): 由两个相对运动的表面中较软表面的塑性变形形成的沟槽。


抛光(polishing):使轴承零件的原始加工表面外观变得更为光亮的平滑作用。


光亮状磨损(burnishing):导致粗糙峰顶部扁平化的塑性变形的累积,表面逐步呈现更光亮的状态,而非表面精加工留下的形貌。


跑合(running-in): 在使用初期,改善机器零件吻合度、表面形貌及摩擦兼容性的过程。


轨迹(path pattern): 由于滚动体和滚道接触,轴承零件部分区域出现的痕迹(最终会变色)。


粘着磨损(adhesive wear):滑动期间由于固相焊接而导致材料从一个表面转移到另一表面,从一个表面移失的颗粒或永久或临时粘附在另一表面。


涂抹(smearing): 粘着磨损的一种,材料从一个表面上机械性移除(常涉及塑性剪切变形),并在一个或两个表面上重新沉积为一薄层材料。


滑伤(skidding):由于高速滑动和因载荷迅速变化而使润滑油膜破裂,在表面出现的断续的银雾状表面损伤。


粘结(galling):零件表面材料以斑块从一个接触表面的某个位置转移到另一接触表面的某个位置,且有可能由于高的拖动力而以多个粗糙峰的尺度回移到前一接触表面。(注:典型的粘着磨损。)


划伤(scoring):表面严重的擦伤或犁沟。


粗化(frosting):粘着磨损的特定形式,金属微小碎片被滚动体从轴承滚道上扯下。(注:粗化区在一个方向上感觉平滑,但在另一个方向上则有明显的粗糙感。)


咬粘(seizing):接触表面润滑不充分、载荷过大和温升所引起的极端涂抹,视运转速度和温度不同,可导致材料软化、二次淬火、开裂、摩擦焊合,严重时,还可导致轴承零件发生卡滞。


蠕动(creep):在轴承套圈安装时过盈配合不充分且载荷相对于套圈旋转的情况下,轴承套圈相对于其支承面发生不希望有的运动。

注:蠕动过程中,滚碾导致内圈相对轴的转速或者外圈相对轴承座的转速存在微小差异。蠕动常常(但不一定总是)伴随有套圈与支承面接触处的滑动。


胶合(scuffing): 由滑动面的固相焊接(无局部表面熔化)引起的一种粘着磨损或局部损伤。(注:由于该术语描述太通用且不严密,因此,尽量避免使用。)


微动磨蚀 (fretting/fretting corrosion):一定摩擦条件下,配合面间的微小相对运动(滑动)所引起的化学反应,导致表面氧化、粗糙峰变成可见的粉状铁锈、配合面之一或两者失去材料。表面变亮或变色(黑红色)。


热裂(thermal cracking、heat cracking):由滑动摩擦发热引起的损伤(或失效)。裂纹常出现在与滑动垂直的方向。

(来源:轴承杂志社)

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