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啤嶺機電設備（上海）有限公司
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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：通過對發生早期失效的63/28/P5 Z2摩托車發動機曲軸軸承進行分析，發現發動機零件加工時殘留的金剛石微粒在運轉過程中進入軸承，使軸承零件工作表面產生點狀壓坑缺陷，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
　　某公司生產的摩托車曲軸軸承63/28，在安裝到發動機中進行調試或用戶使用初期，會發生早期失效現象，失效特征均為滾動表面出現麻點坑，造成發動機噪聲加大。現對一早期失效的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分鐘；取出軸承，用濾紙將從軸承中清洗出的物質收集起來，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、鋼球及內圈拆開，對軸承的各個組件的外觀形貌進行宏觀觀察，結果見表1。
　　2　硬度檢驗
　　采用HR-150A型硬度計，對軸承內圈、外圈及隨機抽取的3粒鋼球進行硬度檢驗，檢驗結果見表2。
　　由表2結果可知，軸承的內圈、外圈及鋼球的淬、回火硬度值均符合JB/T 1255-2001相關規定。
　　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條環帶交叉麻點坑缺陷的1粒鋼球和軸承清洗出的物質依次放入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、外圈溝道面上黑點缺陷和清洗出的物質進行成分分析，結果見表3。




　　從表3中的測試結果可以看出，內、外圈溝道上黑點缺陷內的物質與從軸承中清洗出物質的化學成分中C元素含量基本接近，應該為同一物質-金剛石。
　　4　結果分析
　　由以上宏觀形貌分析、硬度檢驗及電鏡能譜分析結果可知：
　　（1）通過對軸承外圈及內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、鋼球和內圈溝道傳遞，從而判定該類缺陷是軸承拆卸所致。
　　（2）由掃描電鏡分析可以看出，外圈和內圈溝道上的黑點均為凹坑，凹坑內有灰白色物質存在；鋼球表面分布的麻點坑環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，這些麻點坑缺陷應為同一物質擠壓所致。受損軸承零件的硬度均大于61 HRC，能導致其損壞的物質的硬度應更高。經能譜分析，內、外圈缺陷內殘留物質的成分中以C元素為主，達到9o％以上，從而判定該硬顆粒為金剛石顆粒。
　　（3）通過對從軸承中清洗出的物質（圖12）觀察可知：該物質的尺寸大小和形貌與軸承外、內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成分中C的質量百分數達83.22％，表明該物質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生機理
　　5.1 金剛石來源
　　軸承內、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，在后續工序中又未能徹底清洗或清理干凈，從而進入發動機中導致軸承早期失效。
　　5.2 麻點坑產生的機理
　　該失效軸承是裝在四沖程發動機曲軸上，此類發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合的混合潤滑方式。發動機工作時，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；對難以實現壓力潤滑的位置則利用曲軸、齒輪等旋轉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，造成軸承載荷區的大小和位置不斷變化，即曲軸軸承運轉時非載荷區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。而發動機中其他部位軸承承受的載荷穩定，則其非載荷區的位置和問隙的大小穩定，金剛石顆粒就不容易壓入軸承的滾動表面。
　　另外，由于內、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、內圈的滾道表面，在滾道上產生黑點。嵌入滾道的金剛石顆粒，在軸承運轉時對鋼球表面進行擠壓，從而在鋼球表面擠壓出呈環帶狀分布的麻點坑。
　　6　結束語
　　針對出現的問題，依據分析結果，提出改進措施：
　　（1）嚴格控制發動機零件加工中所用金剛石磨具、修整器具等的質量，并正確地使用，避免金剛石顆粒的脫落。
　　（2）發動機的所有零件在裝配前，必須進行嚴格的清洗或清理，避免異物進入發動機。
來源：《軸承》2009年3期