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63/28摩托車曲軸軸承早期失效分析

2013-08-28

禹德偉1　仇亞軍2　雷建中2　鄒從國3
（1.江門機械設備(軸承)有限公司，廣東江門　529030；2.洛陽軸研科技股份有限公司，河南洛陽　471039；3.萬向集團技術中心，杭州　311215）
　　摘　要：通過對發(fā)生早期失效的63/28/P5 Z2摩托車發(fā)動機曲軸軸承進行分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機零件加工時殘留的金剛石微粒在運轉(zhuǎn)過程中進入軸承，使軸承零件工作表面產(chǎn)生點狀壓坑缺陷，是導致軸承早期失效的主要原因。
　　關鍵詞：曲軸軸承；早期失效；顯微分析；金剛石
　　某公司生產(chǎn)的摩托車曲軸軸承63/28，在安裝到發(fā)動機中進行調(diào)試或用戶使用初期，會發(fā)生早期失效現(xiàn)象，失效特征均為滾動表面出現(xiàn)麻點坑，造成發(fā)動機噪聲加大?，F(xiàn)對一早期失效的63/28/P5 Z2摩托車曲軸軸承進行失效分析。
　　1　宏觀形貌分析
　　將失效曲軸軸承63/28/P5 Z2整體放入干凈燒杯中，倒入丙酮將其淹沒，放入超聲波清洗機中清洗數(shù)分鐘；取出軸承，用濾紙將從軸承中清洗出的物質(zhì)收集起來，粘附在覆蓋有導電膠的電鏡樣品架上以備進行電鏡觀察分析。
　　采用線切割機將清洗后的軸承外圈切為兩半，隨后將保持架、鋼球及內(nèi)圈拆開，對軸承的各個組件的外觀形貌進行宏觀觀察，結(jié)果見表1。
　　2　硬度檢驗
　　采用HR-150A型硬度計，對軸承內(nèi)圈、外圈及隨機抽取的3粒鋼球進行硬度檢驗，檢驗結(jié)果見表2。
　　由表2結(jié)果可知，軸承的內(nèi)圈、外圈及鋼球的淬、回火硬度值均符合JB/T 1255-2001相關規(guī)定。
　　3　掃描電鏡及能譜分析　　
　　用線切割機在圖1～圖4中箭頭標注的溝道上的深色條狀痕跡部位及小黑點部位切取試樣，將其隨同表面分布有2條環(huán)帶交叉麻點坑缺陷的1粒鋼球和軸承清洗出的物質(zhì)依次放入JSM-6380LV掃描電鏡中進行形貌觀察（圖6～圖12）。隨后，用EDS7582型能譜儀分別對軸承內(nèi)、外圈溝道面上黑點缺陷和清洗出的物質(zhì)進行成分分析，結(jié)果見表3。




　　從表3中的測試結(jié)果可以看出，內(nèi)、外圈溝道上黑點缺陷內(nèi)的物質(zhì)與從軸承中清洗出物質(zhì)的化學成分中C元素含量基本接近，應該為同一物質(zhì)-金剛石。
　　4　結(jié)果分析
　　由以上宏觀形貌分析、硬度檢驗及電鏡能譜分析結(jié)果可知：
　?。?）通過對軸承外圈及內(nèi)圈溝道痕跡形貌的觀察，可知溝道面沿軸向的深色條狀痕跡均為接觸擠壓所致；分布有顯微剝落坑和細微裂紋，痕跡間距與鋼球間距相等，由于軸承失效后從曲軸上拆卸時，是通過敲擊軸承外圈端面，使拆卸力通過外圈溝道、鋼球和內(nèi)圈溝道傳遞，從而判定該類缺陷是軸承拆卸所致。
　?。?）由掃描電鏡分析可以看出，外圈和內(nèi)圈溝道上的黑點均為凹坑，凹坑內(nèi)有灰白色物質(zhì)存在；鋼球表面分布的麻點坑環(huán)帶中的各麻點坑分布方向基本一致，大小及形狀相同，麻點坑邊緣存在明顯的擠壓凸起變形區(qū)，這些麻點坑缺陷應為同一物質(zhì)擠壓所致。受損軸承零件的硬度均大于61 HRC，能導致其損壞的物質(zhì)的硬度應更高。經(jīng)能譜分析，內(nèi)、外圈缺陷內(nèi)殘留物質(zhì)的成分中以C元素為主，達到9o％以上，從而判定該硬顆粒為金剛石顆粒。
　?。?）通過對從軸承中清洗出的物質(zhì)（圖12）觀察可知：該物質(zhì)的尺寸大小和形貌與軸承外、內(nèi)圈溝道上的黑點和鋼球表面麻點坑接近。能譜分析表明該物質(zhì)成分中C的質(zhì)量百分數(shù)達83.22％，表明該物質(zhì)為能將其表面擠壓成凹坑的金剛石細小顆粒。
　　5　金剛石來源及麻點坑產(chǎn)生機理
　　5.1 金剛石來源
　　軸承內(nèi)、外圈溝道上的黑點位置測振時必然和鋼球接觸，由于失效軸承63/28/P5 Z2出廠時全部經(jīng)過清洗，注防銹油后振動檢驗合格才包裝，因而可以判定造成軸承早期失效的金剛石顆粒為軸承出廠后侵入。由于摩托車發(fā)動機零件加工中，有采用金剛石磨具、修整器具等，故可以推定金剛石應為發(fā)動機零件加工時，所采用的金剛石磨具、修整器具等上的金剛石顆粒脫落而殘留在零件上，在后續(xù)工序中又未能徹底清洗或清理干凈，從而進入發(fā)動機中導致軸承早期失效。
　　5.2 麻點坑產(chǎn)生的機理
　　該失效軸承是裝在四沖程發(fā)動機曲軸上，此類發(fā)動機采用油泵壓力噴射和曲軸等運動部件攪撥潤滑油飛濺相結(jié)合的混合潤滑方式。發(fā)動機工作時，油泵從曲軸箱泵油，由高壓油路分別送到曲軸、凸輪軸、軸承等高速重載的零件表面；對難以實現(xiàn)壓力潤滑的位置則利用曲軸、齒輪等旋轉(zhuǎn)飛濺或重力下落的潤滑油來潤滑，如氣缸壁、正時齒輪等部件的潤滑。故可以判定，殘留在發(fā)動機中的金剛石顆粒是通過高壓噴射而進入曲軸軸承的。
　　由于曲軸軸承承受的載荷具有脈動性，且其徑向作用力方向也呈周期性變化，造成軸承載荷區(qū)的大小和位置不斷變化，即曲軸軸承運轉(zhuǎn)時非載荷區(qū)的位置和間隙的大小不斷變化，這樣，進入軸承中的金剛石顆粒能比較容易壓人軸承的滾動表面。而發(fā)動機中其他部位軸承承受的載荷穩(wěn)定，則其非載荷區(qū)的位置和問隙的大小穩(wěn)定，金剛石顆粒就不容易壓入軸承的滾動表面。
　　另外，由于內(nèi)、外圈的硬度比鋼球低，這樣侵入軸承滾動表面之間的金剛石顆粒就壓入到了外圈、內(nèi)圈的滾道表面，在滾道上產(chǎn)生黑點。嵌入滾道的金剛石顆粒，在軸承運轉(zhuǎn)時對鋼球表面進行擠壓，從而在鋼球表面擠壓出呈環(huán)帶狀分布的麻點坑。
　　6　結(jié)束語
　　針對出現(xiàn)的問題，依據(jù)分析結(jié)果，提出改進措施：
　?。?）嚴格控制發(fā)動機零件加工中所用金剛石磨具、修整器具等的質(zhì)量，并正確地使用，避免金剛石顆粒的脫落。
　?。?）發(fā)動機的所有零件在裝配前，必須進行嚴格的清洗或清理，避免異物進入發(fā)動機。
來源：《軸承》2009年3期