贺强（宝钢工业检测公司，上海）

    摘要： 本文针对连续发生初轧机用轴承损坏的事故，对两套轴承进行了损坏原因分析。通过对两套失效轴承中较典型的1套轴承损坏的原因分析，得出两套轴承早期失效原因是：该轴承在制造中存在销子的焊接质量差，焊接不牢是造成轴承损坏的关键。
    关键词：四列圆柱滚子轴承、柱销折断、脱焊、焊接缺陷、失效分析
    情况简介：
    某厂从2006年1月～5月连续发生初轧机用轴承损坏的事故，该损坏的轴承型号为；四列圆柱滚子轴承。3套损坏的轴承轧制的吨位仅为14万吨、62万吨和15万吨，损坏轴承的信息见列表。该轴承设计的标准轧制吨位应为300万吨，3套损坏轴承的使用情况记录见表1。该3套轴承均属于早期的失效。
    从3套轴承的失效形式看有滚动体的碎裂，柱销的断裂以及保持架的断裂等，最终造成轴承烧损失效的严重事故。为了查找轴承损坏的原因，对其中2套失效轴承取样进行了失效分析。
    表1
    序号轴承号损坏状况启用日期损坏日期累计轧制吨位
    1C-1四列滚动体全部烧损2005.82006.1149274.16
    202-12-B四列滚动体全部烧损2004.112006.4628211.63
    3不详滚动体脱落2005.122006.515000.23
    检验与结果
    宏观检查
    现场观察两套失效的轴承，其中一套轴承号：02-12-B在轧制过程中发生轴承烧损失效，宏观检查：轴承滚动体开裂、柱销折断以及保持架断裂，见图1～2。
    另一套轴承号：不详 ，在轧辊下机架对轴承进行拆装清洗并检查，结果发现部分轴承滚动体有松动，检查发现有两列圆柱滚子的部分滚动体发生脱落。失效轴承的宏观形貌以及脱落柱销见图3～4。
    图1 轴承失效宏观形貌                图2 碎裂的轴承保持架、滚动体形貌
    图3 轴承失效宏观形貌                图4断裂柱销形貌
    宏观观察两套失效轴承后，初步分析这两套轴承的失效原因，觉得重点在滚动体、柱销和保持架的连接上。而且由于第一套失效轴承滚动体、保持架、柱销破坏严重，断裂失效的源已遭到破坏，所以分析第二套失效轴承更有意义。下面的理化检测分析工作，成分分析、力学性能试验、金相检验都是对第二套失效轴承进行取样分析。
    观察轴承内脱落部分滚动体和销子，经检查脱落的滚动体均保持完好，脱落的12根柱销中只有1根没有折断，但销子表面颜色发生变化，其余的11根均在柱销的螺纹端断裂。柱销螺纹端以及焊接端的形貌见图5～6。
    图5 柱销螺纹端折断断口               图6 柱销焊接端形貌
    2.2 化学成分分析
    采用现场光谱仪ARC-MTE930对轴承的柱销进行化学成份分析，结果列于表2。可见柱销的化学成份，基本符合45＃钢的要求，但C含量偏于上限。
    表2      化学成份分析结果（质量分数）
    项目CSiMnSPCrNi
    柱销0.510.320.520.0200.0089≤0.045≤0.03
    标准值0.42~0.500.17~0.370.50~0.80≤0.035≤0.035≤0.25≤0.25
    2.3 力学性能测定
    取样对断裂的柱销进行力学性能检验，试验结果列于表3。
    表3      力学性能试验结果
    项目         屈服强度     抗拉强度     断后伸长率      断面收缩率   冲击值
    ReL（Mpa）  Rm（Mpa）    A（％）       Z（％）      Ak （J）
    实测值19409908.5-----5、4、5
    实测值29509908.5------------
    45＃标准355        60040-------39
    对照《中国钢铁材料牌号手册》中45＃钢的性能要求，断裂的柱销拉伸试验结果不符合标准要求，冲击试验结果明显低于标准要求。试验结果屈强比≥0.9，表明柱销材料的脆性特征。
    2.4 硬度试验
    取断裂、脱落的柱销4根，用HBRVU187.5型布洛维光学硬度计，对柱销表面进行硬度检测，检测结果见表4。
    表4 柱销表面硬度检测结果
    项目硬度实测值（HRC）
    柱销 157.558.058.558.557.5
    柱销 256.055.057.057.557.5
    柱销 356.557.057.057.058.0
    柱销 457.056.556.057.056.0
    2.5 金相检验
    2.5.1 低倍检验
    取断裂的轴承柱销2根（1#、2#），把柱销焊接端解剖做金相检验。解剖后发现焊接端的焊接金属和母材存在明显的焊接（未融合、缩孔等）缺陷，缺陷形貌见图7～8。
    图7 ～8   柱销焊接端的焊接缺陷形貌
    2.5.2 高倍金相组织检验
    在断裂柱销螺纹端和焊接端各取金相试样。试样经研磨、抛光等，在BX60金相显微镜下检查柱销金相组织。
    检测结果：
    销子的原材料组织中存在较多的非金属夹杂物，按照GB10561-89《钢中非金属夹杂物显微评定方法》中JK评级图，对夹杂物数量进行评级，评为A3级，见图9～10。
    销子焊接端焊接金属（不锈钢）和销子母材存在焊接缺陷，见图11～12，融合线上存在裂纹，见图13，不锈钢焊接金属内也存在有裂纹，见图14。
    3） 柱销螺纹端的组织发生塑性变形，组织形貌见图15。柱销表面淬硬层组织为；马氏体＋网状铁素体，见图16，心部组织为；网状铁素体＋珠光体。
    图9柱销纵向（螺纹端）夹杂物           图10柱销纵向（焊接端）夹杂物形貌
    图11柱销焊接端的未焊合缺陷                 图12 柱销焊接端的未焊合缺陷
    图13 柱销不锈钢焊缝组织内的裂纹形貌        图14 柱销母材与焊缝融合线间的裂纹
    图15  柱销螺纹端变形组织                图16 柱销淬硬层组织
    分析讨论
    从连续发生的3起轴承损坏的事故分析，3套轴承的使用寿命均未达到目标轧制吨位，为早期的轴承失效事故。从该种轴承历史使用的情况看，相同制造厂提供的轴承使用寿命能达到甚至于超过标准轧制吨位（300吨）要求，说明该轴承在技术工艺上不存在设计缺陷。宏观检查这几套轴承的宏观失效形貌，发现轴承的销子脱落可能是造成事故的主要原因，所以分析查找事故的原因重点在滚动体柱销和保持架上。
    由宏观检查滚动体发生脱落，脱落的柱销12根中90％在螺纹部发生断裂，
    经对柱销的理化性能试验，发现柱销的材料45#钢C含量偏上限；材料的屈强比高，冲击性能差；柱销的表面硬度最高达到HRC58.5，高于制造厂的控制标准（HRC45～50）；柱销组织检验一方面原材料中存在较多的非金属夹杂物以及柱销热处理后的冲击韧性差，材料的脆性特征明显，另一方面柱销焊接端经解剖后也发现焊接金属和母材存在明显的焊接（未融合、缩孔等）缺陷，存在焊接制造质量先天缺陷。
    分析轴承在使用中的受力，该圆柱滚子轴承，只能承受径向负荷。由于轴承在运转过程中会承受一定的冲击载荷和振动载荷，轴承保持架始终会处于交变应力作用，并在销子焊接部位和螺纹尾部产生应力集中，导致销子螺纹部位和焊接部位被剪断接，但当销子与保持架之间存在焊接缺陷，焊接强度较差时，当承受冲击或振动载荷时，容易造成柱销脱焊直至折断，滚子也会处于非正常的工作状态，最终造成轴承的早期失效。
    结论
    通过对两套失效轴承中较典型的1套轴承损坏的原因分析，得出两套轴承早期失效原因是：该轴承在制造中存在销子的焊接质量差，焊接不牢是造成轴承损坏的关键。当轴承在使用过程中尤其是在刚启动时滚动体、柱销受到较大的冲击载荷，再加上柱销材料成分中C含量超标，柱销的表面硬度和心部硬度均高于标准要求，柱销材料的脆性较大，在一定的冲击载荷下容易造成销子断裂，不及时发现就造成整套轴承在短时间内的烧损。
    在分析结论得出后，轴承使用方和备件采购方依据分析结论，成功的向轴承制造方提出了索赔要求，为企业挽回了损失。同时轴承制造方也在确认了轴承损坏原因的基础上，提出了今后在该轴承制造中的一些改进措施如：提高焊接质量、缩小柱销与滚子孔径的间隙、提高装配质量等。
    参考文献：
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    [4]周天琳　宗春丽等.轧钢机械减速机轴承失效分析及改进[Ｊ]，轴承，2005（12）.41-42