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軸承偽壓痕與電蝕的區分及對策

2014-01-22

（國家軸承質量監督檢驗中心）
　　隨著主機用戶對軸承質量的重視，近年來針對軸承失效分析也越來越多，平均每年軸承質檢中心進行的失效分析和廢品分析案例都在100例左右。在進行的失效分析案例中，較為典型的軸承分析案例包括軍工、鐵路、風電、變速箱、電機等等。而在這兩年進行的分析案例中，電機軸承占據了較大比重。
　　電機軸承失效模式多數與其他軸承類似，基本集中在：滾動表面的剝落、套圈的斷裂、磨損、潤滑失效、燒傷等方面。但是，電機軸承由于其使用工況的特殊性（例如轉動不平衡，存在電流等情況），在失效形式上也存在特殊的案例。比如滾道表面波紋狀凹槽導致的軸承失效就是電機軸承較為典型的失效形式。在近兩年進行的失效分析案例中，滾道表面出現波紋狀凹槽造成的電機軸承失效共計7例，其中地鐵、機車電機軸承就有6例。這樣的波紋狀凹槽通常是電蝕或偽壓痕造成的，由于這兩者的形貌類似，有時很難區分，必須通過必要的檢測手段加以辨識，以找出其失效的真正原因。
　　一、偽壓痕與電蝕的現象
　　在ISO15243標準中，對于偽壓痕（也稱“偽布氏壓痕”）和電蝕是做如下定義的：
　　1.1 偽壓痕：零部件周期性振動時，由于彈性接觸面的微小運動和（或）回彈，滾動體和滾道接觸區將出現偽壓痕。根據振動強度、潤滑條件或載荷的不同，腐蝕和磨損會同時產生，在滾道上形成淺的凹陷。對于靜止軸承，凹陷出現在滾動體節距處，并常變成淡紅色或發亮。（形貌見圖1）

圖1 軸承外圈滾道表面偽壓痕
　　1.2 電蝕：電蝕是由于電流的通過造成接觸表面材料的移失。電壓過大時，當電流通過滾動體和潤滑油膜從軸承的一個套圈傳遞到另一套圈時，由于絕緣不適當或絕緣不良，在接觸區內會發生擊穿放電。在套圈和滾動體之間的接觸區，電流強度增大，造成在非常短的時間間隔內局部受熱，使接觸區發生熔化并焊合在一起。當電流泄漏（電蝕波紋狀凹槽）時，表面損傷Z初呈現淺環形坑狀，一環形坑與另一環形坑位置接近并且尺寸很小。即使電流強度相對較弱也會發生這種現象，隨著時間的推移，環形坑將發展為波紋狀凹槽。只能在滾子和套圈滾道接觸表面發現這些波紋狀凹槽，鋼球上則沒有，只是顏色變暗。這些波紋狀凹槽是等距的，滾道上的凹槽底部顏色發暗。（形貌見圖2）

圖2 軸承內圈滾道表面電蝕痕跡
　　1.3 偽壓痕與電蝕表面形貌比較類似，均為波紋狀凹槽，通常俗稱“搓衣板表面形貌”。按照ISO15243標準中說明，偽壓痕與電蝕形貌的主要區別是：振動造成的波紋狀凹槽底部發亮或被腐蝕，而電流通過造成的凹槽底部則顏色發暗。電流引起的損傷還可通過滾動體上也有波紋狀凹槽這一現象予以識別。
　　但在實際工作中，按照ISO15243標準來區別偽壓痕與電蝕形貌是比較難的。在實際工作中，我們通常通過下述方法來予以區別。
　　二、偽壓痕與電蝕的區分
　　偽壓痕主要是由振動造成的材料腐蝕或磨損，而電蝕是由電流通過時局部受熱造成的材料熔融。通過這一區別可用兩種方法對其進行區分：
　　2.1 掃描電鏡
　　利用掃描電鏡，可以將波紋狀凹槽進行放大，當表面形貌放大至1000倍以上時，可以清楚的看到凹槽表面的晶粒、晶界狀況，通過對晶粒的觀察，即可區分偽壓痕與電蝕。偽壓痕形成的凹槽表面晶粒沒有熔融形貌，只存在表面磨損痕跡（見圖3）；而電蝕形成的凹槽表面晶粒存在明顯的熔融狀態（見圖4）。通過這一特征可對二者進行區分。

圖3 偽壓痕表面

圖4 電蝕表面
　　2.2 金相法
　　也可以通過金相法對二者進行區分，將有凹槽的部分切開，經過金相制樣、腐蝕，可以看到：偽壓痕形成的凹槽表面只是存在磨損，金相組織通常和內部組織相同，沒有異常（見圖5）；而電蝕形成的凹槽表面曾被高溫燒融過，所以會在凹槽表面產生高溫變質層，但是由于電蝕是在短時間內的金屬熔融，高溫變質層會很薄，所以在制作金相試樣時應當保證邊緣處的平直（見圖6）。此外，發生電蝕的軸承，在滾動體表面、滾道表面的金相樣品中，均會發現高溫變質層的存在。

圖5 偽壓痕處金相試樣

圖6 電蝕處金相試樣
　　2.3 當軸承是外圈固定、內圈旋轉狀態時，外圈表面的偽壓痕凹槽通常只在承載區內存在，而電蝕凹槽通常會在整個外圈滾道面內存在。此外，電蝕后的滾動體表面顏色通常較暗。這也是通過外觀予以初步區分的方法，但是準確的區分還是以掃描電鏡和金相法為準。
　　通過以上的方法，可以對電機軸承表面波紋狀凹槽的形成原因做出準確的判斷。
　　三、對策
　　由于偽壓痕和電蝕都是電機軸承比較常見故障原因，而消除此類故障，可采取以下措施：
　　3.1 偽壓痕故障主要是由于機器振動所造成的，所以只要消除或減小整機的振動（在結構中增加減震設計）、施加一定的預緊力減輕振動或者選用合適的潤滑劑等措施即可消除、減輕偽壓痕的故障。
　　3.2 電蝕故障主要是由于軸承中電流通過，所以消除電蝕故障的方法是在電機結構上加裝接地設施或采用絕緣性能更好的軸承來通過杜絕電流通過。