禹德伟1 仇亚军2 雷建中2 邹从国3
（1.江门机械设备(轴承)有限公司，广东江门 529030；2.洛阳轴研科技股份有限公司，河南洛阳 471039；3.万向集团技术中心，杭州 311215）
摘 要：通过对发生早期失效的63/28/P5 Z2摩托车发动机曲轴轴承进行分析，发现发动机零件加工时残留的金刚石微粒在运转过程中进入轴承，使轴承零件工作表面产生点状压坑缺陷，是导致轴承早期失效的主要原因。
关键词：曲轴轴承；早期失效；显微分析；金刚石
某公司生产的摩托车曲轴轴承63/28，在安装到发动机中进行调试或用户使用初期，会发生早期失效现象，失效特征均为滚动表面出现麻点坑，造成发动机噪声加大。现对一早期失效的63/28/P5 Z2摩托车曲轴轴承进行失效分析。
1 宏观形貌分析
将失效曲轴轴承63/28/P5 Z2整体放入干净烧杯中，倒入丙酮将其淹没，放入超声波清洗机中清洗数分钟；取出轴承，用滤纸将从轴承中清洗出的物质收集起来，粘附在覆盖有导电胶的电镜样品架上以备进行电镜观察分析。
采用线切割机将清洗后的轴承外圈切为两半，随后将保持架、钢球及内圈拆开，对轴承的各个组件的外观形貌进行宏观观察，结果见表1。
2 硬度检验
采用HR-150A型硬度计，对轴承内圈、外圈及随机抽取的3粒钢球进行硬度检验，检验结果见表2。
由表2结果可知，轴承的内圈、外圈及钢球的淬、回火硬度值均符合JB/T 1255-2001相关规定。
3 扫描电镜及能谱分析
用线切割机在图1～图4中箭头标注的沟道上的深色条状痕迹部位及小黑点部位切取试样，将其随同表面分布有2条环带交叉麻点坑缺陷的1粒钢球和轴承清洗出的物质依次放入JSM-6380LV扫描电镜中进行形貌观察（图6～图12）。随后，用EDS7582型能谱仪分别对轴承内、外圈沟道面上黑点缺陷和清洗出的物质进行成分分析，结果见表3。
从表3中的测试结果可以看出，内、外圈沟道上黑点缺陷内的物质与从轴承中清洗出物质的化学成分中C元素含量基本接近，应该为同一物质-金刚石。
4 结果分析
由以上宏观形貌分析、硬度检验及电镜能谱分析结果可知：
（1）通过对轴承外圈及内圈沟道痕迹形貌的观察，可知沟道面沿轴向的深色条状痕迹均为接触挤压所致；分布有显微剥落坑和细微裂纹，痕迹间距与钢球间距相等，由于轴承失效后从曲轴上拆卸时，是通过敲击轴承外圈端面，使拆卸力通过外圈沟道、钢球和内圈沟道传递，从而判定该类缺陷是轴承拆卸所致。
（2）由扫描电镜分析可以看出，外圈和内圈沟道上的黑点均为凹坑，凹坑内有灰白色物质存在；钢球表面分布的麻点坑环带中的各麻点坑分布方向基本一致，大小及形状相同，麻点坑边缘存在明显的挤压凸起变形区，这些麻点坑缺陷应为同一物质挤压所致。受损轴承零件的硬度均大于61 HRC，能导致其损坏的物质的硬度应更高。经能谱分析，内、外圈缺陷内残留物质的成分中以C元素为主，达到9o％以上，从而判定该硬颗粒为金刚石颗粒。
（3）通过对从轴承中清洗出的物质（图12）观察可知：该物质的尺寸大小和形貌与轴承外、内圈沟道上的黑点和钢球表面麻点坑接近。能谱分析表明该物质成分中C的质量百分数达83.22％，表明该物质为能将其表面挤压成凹坑的金刚石细小颗粒。
5 金刚石来源及麻点坑产生机理
5.1 金刚石来源
轴承内、外圈沟道上的黑点位置测振时必然和钢球接触，由于失效轴承63/28/P5 Z2出厂时全部经过清洗，注防锈油后振动检验合格才包装，因而可以判定造成轴承早期失效的金刚石颗粒为轴承出厂后侵入。由于摩托车发动机零件加工中，有采用金刚石磨具、修整器具等，故可以推定金刚石应为发动机零件加工时，所采用的金刚石磨具、修整器具等上的金刚石颗粒脱落而残留在零件上，在后续工序中又未能彻底清洗或清理干净，从而进入发动机中导致轴承早期失效。
5.2 麻点坑产生的机理
该失效轴承是装在四冲程发动机曲轴上，此类发动机采用油泵压力喷射和曲轴等运动部件搅拨润滑油飞溅相结合的混合润滑方式。发动机工作时，油泵从曲轴箱泵油，由高压油路分别送到曲轴、凸轮轴、轴承等高速重载的零件表面；对难以实现压力润滑的位置则利用曲轴、齿轮等旋转飞溅或重力下落的润滑油来润滑，如气缸壁、正时齿轮等部件的润滑。故可以判定，残留在发动机中的金刚石颗粒是通过高压喷射而进入曲轴轴承的。
由于曲轴轴承承受的载荷具有脉动性，且其径向作用力方向也呈周期性变化，造成轴承载荷区的大小和位置不断变化，即曲轴轴承运转时非载荷区的位置和间隙的大小不断变化，这样，进入轴承中的金刚石颗粒能比较容易压人轴承的滚动表面。而发动机中其他部位轴承承受的载荷稳定，则其非载荷区的位置和问隙的大小稳定，金刚石颗粒就不容易压入轴承的滚动表面。
另外，由于内、外圈的硬度比钢球低，这样侵入轴承滚动表面之间的金刚石颗粒就压入到了外圈、内圈的滚道表面，在滚道上产生黑点。嵌入滚道的金刚石颗粒，在轴承运转时对钢球表面进行挤压，从而在钢球表面挤压出呈环带状分布的麻点坑。
6 结束语
针对出现的问题，依据分析结果，提出改进措施：
（1）严格控制发动机零件加工中所用金刚石磨具、修整器具等的质量，并正确地使用，避免金刚石颗粒的脱落。
（2）发动机的所有零件在装配前，必须进行严格的清洗或清理，避免异物进入发动机。
来源：《轴承》2009年3期
湘ICP备2022008471号-1
技术支持
佰联轴承网
