分享：某型乘用车变速箱轴承失效原因分析

轴承钢是钢铁生产中要求最严格的钢种之一^[1]，被广泛应用于滚动体和套圈^[2]。以轴承钢为原料制作的轴承可以在拉伸、压缩、交变等复杂应力状态和高应力值下保持长时间的高速工作^[3]，是机械设备中重要的旋转零件。一旦轴承出现故障，就有可能导致汽车无法正常运行，甚至会危及人身安全^[4]。轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架4种基本元件构成^[5]。其中，内圈与传动轴过盈配合，工作过程中随轴一起转动；外圈则多为固定或相对固定，安装在轴承座或箱体等固定支撑物上^[6]。 

鉴于轴承类型、安装部位、匹配要求及变速箱实际应用工况的复杂性，轴承失效形式多样，主要包括疲劳、磨损、点蚀、断裂、烧蚀等^[7−9]。失效分析是通过对失效现象的分析和验证，找到产品失效原因、挖掘失效本质和规律的一种分析手段，在提高产品质量、改进开发技术、修复产品及仲裁失效事故等方面具有重要的实际意义。本文针对一款变速箱圆锥滚子轴承在行驶过程中出现的高温粘着磨损现象，结合失效表现，运用多种针对性手段对失效轴承进行详细的失效原因分析。 

1.   理化检验

变速箱轴承在运行过程中不仅承受着巨大的径向载荷，还可能承受斜齿轮产生的部分轴向载荷，并持续受到齿轮的冲击作用。轴承一旦失效，将严重影响齿轮箱的寿命^[10]，其失效模式包括疲劳剥落、烧伤、磨损和偏载等，其中剥落和烧伤为主要失效模式，磨削烧伤、表面非金属夹杂物等对轴承寿命也有一定影响。 

某乘用车变速箱用圆锥滚子轴承，其内圈与传动轴过盈配合，外圈则固定在轴承座中，套圈和滚子均采用GCr15材料。汽车行驶11947 km后，该轴承失效。该产品主要加工工艺为热锻→球化退火→机加工→淬回火→磨加工→清洗→装配。 

1.1   宏观观察与分析

轴承采用体积分数95%酒精超声波清洗后，观察外圈、内圈及滚子的宏观形貌，如图1所示。外圈、内圈及滚子均有不同程度的变色，其中外圈存在严重的粘着磨损现象（滚子与外圈在相对摩擦过程中，接触表面局部发生的金属粘着现象），外圈外侧及滚道面的圆周方向均发生变形，车加工纹路完全消失。推测产品在滚动时，因工作温度过高或受力过大，表面产生高温，导致组织和硬度发生改变，进而造成表面变形，使接触面发生粘着。内圈和滚子虽出现变色，但运转轨迹正常，宏观下未见明显异常。说明轴承失效主要由外圈粘着磨损引起，外圈在失效过程中产生高温，各零部件形貌特征见表1及图2~4所示。 

图  1  失效轴承外圈(a)、内圈(b)和滚子(c)的宏观形貌及工作示意图(d)

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表  1  轴承零件的宏观形貌

零件名称	宏观形貌
外圈	整体略变黄，两端面和外圈外侧均有不同程度的周向磨痕，内侧滚道面高温塑性变形较严重，存在严重的粘着磨损现象，见图2
内圈	整体完好，滚道面变为黄棕色，运转轨迹正常，内径面（靠大端一侧）可见明显的周向磨损，两端面未见异常，见图3
滚子	21粒滚子整体完好，工作面均呈黄色，大端面均有轻微磨损，小端面均未见异常，见图4

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图  2  外圈外观形貌：(a)大端面；(b)小端面；(c)外侧；(d)内侧/滚道面

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图  3  内圈外观形貌：(a)外侧/滚道面；(b)内侧

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图  4  滚子外观形貌：(a)大端面；(b)小端面；(c)滚面

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1.2   化学成分分析

使用OBLF火花直读光谱仪对轴承外圈进行分析，其元素成分如表2所示，化学元素均符合GB/T 18254—2016《高碳铬轴承钢》的技术要求，避免钢材冶炼成分偏差导致产品失效。 

表  2  外圈主要化学成分（质量分数） %

项目	C	Cr	Mn	Si	P	S	Ti
测量	0.95	1.48	0.33	0.28	0.013	0.0012	0.002
标准	0.95~1.05	1.40~1.65	0.25~0.45	0.15~0.35	≤0.025	≤0.020	≤0.0050
项目	Al	Mo	Cu	Ni	As	Pb	As+Sn+Sb
测量	0.022	0.004	0.029	0.013	0.008	0.001	0.013
标准	≤0.050	≤0.10	≤0.25	≤0.25	≤0.04	≤0.002	≤0.075

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1.3   非金属夹杂物分析

由于内圈、外圈、滚子的滚面剥落及磨损情况无明显差异，随机选取轴承内圈、外圈的截面位置和2粒滚子，经磨制抛光后采用金相显微镜进行观察。根据GB/T 10561—2023《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》，采用A法（最恶劣视场法，即检验样品整个纵向抛光面，对观察到的每类夹杂物，按细系和粗系记录与检验面上最恶劣视场相符的标准图片的级别数^[11]）对轴承钢中的A类（硫化物类）、B类（氧化铝类）、C类（硅酸盐类）、D类（球状氧化物类）和DS类（单颗粒球状类）非金属夹杂物进行评级，其中A、B、C、DS类非金属夹杂物按尺寸范围评级，评级结果见表3，未见异常粗大夹杂物。例如，D类细系0.5级表示D类夹杂物直径为2~8 μm，数量为1~3颗。轴承钢属于高纯净钢，且此批产品夹杂物极少，因此初步排除非金属夹杂物导致产品失效的可能。 

表  3  非金属夹杂物评级结果

非金属夹杂物类型	内圈等级	外圈等级	滚子等级
A类细系	0	0	0
A类粗系	0	0	0
B类细系	0	0	0
B类粗系	0	0	0
C类细系	0	0	0
C类粗系	0	0	0
D类细系	0.5	0.5	0.5
D类粗系	0	0	0
DS类	0	0	0

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1.4   硬度分析

随机检测轴承内、外圈和2粒滚子的硬度（编号分别为1^#、2^#）。由于外圈存在高温粘着磨损现象，对零件滚道表面和心部均进行显微硬度检测。将样品镶嵌、磨制、抛光后固定于显微硬度夹具，确保检测面平整且与显微硬度计压头垂直。采用ATM显微硬度计检测滚子、内圈、外圈距滚道面100 μm处的表面硬度与心部硬度，试验力为5 N。按照GB/T 1172—1999《黑色金属硬度及强度换算值》将洛氏硬度转换为显微硬度，检测结果见表4。 

表  4  轴承零件的硬度HV检测结果

部位	表面			心部		技术要求
	检测值	均值		检测值	均值
滚子	815、810、813	812		805、807、801	804	HRC 61~65（HV 721~822）
内圈	729、738、735	734		727、717、724	723	HRC 60~64（HV 698~795）
外圈	929、931、939	933		377、389、392	386	HRC 61~65（HV 721~822）
注：该技术要求为万向钱潮公司对于轴承零件产品工艺设定要求。

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检测结果表明：轴承滚子、内圈滚道表面硬度和心部硬度符合标准要求，说明内圈和滚子热处理质量符合技术要求，热处理过程正常；外圈滚道表面硬度和心部硬度相差极大，不符合相关标准要求，说明外圈硬度与产品热处理及后续运行过程中的环境温度有关，需进一步检测外圈表面至心部的硬度梯度。 

将距滚道面100 μm处设为原点，以300 μm的步长进一步检测外圈滚道面至外径面的硬度梯度，试验力为5 N，检测结果如图5所示。检测结果表明：外圈滚道硬度呈现先下降后上升的趋势；从表面至距滚道面1300 μm处，硬度随与表面距离增加而下降，表面硬度最高为HV 926，高于技术要求，处于二次淬火马氏体硬度区间；继续增加与表面的距离，硬度持续下降，在距表面1600 μm处降至最低HV 396；超过1600 μm至外径面时，硬度再次回升，但始终低于技术要求，外表面最高硬度为HV 619，处于二次回火马氏体硬度区间。 

图  5  外圈显微硬度趋势

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外圈滚道面硬度极高，说明滚道表面在某段时间温度达到奥氏体温度（760~880 ℃），运行温度极高，同时润滑油对表面进行快速冷却，造成表面发生二次淬火。随着与滚道面距离的增加，温度逐渐降低，二次淬火组织逐渐向二次回火组织转变。此外，外圈外侧温度也较高，根据JB/T 1255—2014《滚动轴承 高碳铬轴承钢零件 热处理技术条件》中回火温度与硬度关系表，外径面回火温度在200~300 ℃。因此，外圈整体发生了高温转变，滚道面为主要高温作用区域。 

1.5   显微组织

将内、外圈试样及滚子经纵向磨制、抛光、腐蚀后，按照GB/T 18254—2016分别检验评定其碳化物的级别及淬回火组织，并观察和分析其剖面的显微组织，评级结果见表5~6，金相组织形貌见图6~10。具体检测结果如下。 

表  5  轴承零件碳化物级别评级结果

项目	网状碳化物	带状碳化物	液析碳化物
实测外圈	0	0	0
实测内圈	0	1	0
实测滚子	0	1	0
标准要求	≤2.5	≤2.5	≤1
客户要求	≤2.5	≤2.0	≤0.5

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表  6  轴承零件淬回火组织及剖面金相检验结果

零件	淬回火马氏体等级	零件剖面金相检验结果
外圈	2	整个滚道面存在严重的烧伤（二次淬火层+高温回火层），其二次淬火层深度约1.0 mm，为粗大针状马氏体组织；沟道面二次淬火层内有一道深度约0.07 mm的裂纹，裂纹周围可见明显的高温氧化现象；外径面局部存在深度约0.20 mm的烧伤层（二次淬火层+高温回火层），基体组织为淬回火马氏体，见图6～8
内圈	3	滚道面局部有深度约0.07 mm的烧伤层（高温回火层），内径面局部有深度约0.10 mm的烧伤层（二次淬火层+高温回火层），滚道面未见脱碳，见图9
滚子	3	工作面未见烧伤及其他异常，见图10

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图  6  外圈滚道面裂纹形貌：(a)抛光态；(b)腐蚀态

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图  7  外圈滚道面二次淬火层形貌

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图  8  外圈组织形貌

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图  9  内圈形貌：(a)滚道面；(b)滚道面烧伤层；(c)内径面烧伤层

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（1）外圈滚道面整体可见严重的二次淬火烧伤及高温氧化裂纹（见图6），外侧局部可见较浅的烧伤层；外圈整体烧伤，产品热处理工艺无明显问题；滚道面热量源于滚子与外圈剧烈摩擦产热，外表面热量则由外圈与轴承座相对滑动、剧烈摩擦所致；滚道面基体组织为淬火马氏体（见图7），外圈基体组织为淬回火马氏体（见图8）。 

（2）内圈滚道面未见脱碳（见图9(a)），局部存在二次回火层（见图9(b)），表明是由环境高温引起的表面浅度烧伤，烧伤层深度仅0.07 mm；内径面烧伤较滚道严重，存在二次淬火层（见图9(c)），为内圈与轴发生相对滑动、剧烈摩擦造成。 

（3）滚子作为滚动体，与内圈和外圈均为线接触，可快速散热冷却，未发现明显烧伤组织（见图10）。 

（4）轴承套圈表面均无明显脱碳、非马组织等原始缺陷，产品高温为运行过程中剧烈摩擦产生。 

图  10  滚子工作面形貌：(a)抛光态；(b)腐蚀态

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2.   原因分析

宏观观察发现，轴承内、外圈及滚子均出现变色现象，其中外圈滚道面存在严重的粘着磨损现象，外圈外径面、内圈内径面均可见明显的周向划痕，内圈和滚子工作面运转轨迹均正常，因此排除装配等原因引发的高温现象；轴承化学元素、非金属夹杂物、碳化物级别、内圈及滚子的硬度、基体金相组织均符合GB/T 18254—2016的要求，未发现异常，因此可排除原材料原因引发的失效。 

轴承外圈滚道面存在二次淬火层，深度约1 mm，硬度最高达到HV 926，金相组织为粗大针状马氏体，推断滚道表面瞬时高温可达780 ℃以上，由截面硬度检测结果可知，其高温回火层较深；滚道面至外径面的硬度急剧下降后又缓慢上升，外径面硬度为HV 619；经过200~300 ℃的高温回火，外圈热量由滚道面向外径面传递；内圈滚道面局部存在深度约0.07 mm的烧伤层，轴承内、外圈均可见烧伤，滚子则无明显烧伤，可见轴承运转时外圈滚道面产生的异常高温是造成外圈粘着磨损的主要原因。 

外圈外径面和端面均存在周向烧伤，外圈外径面局部还发现深度约0.20 mm的烧伤层，表明其与轴承座发生了相对转动；内圈内径面也发现局部烧伤，深度约0.10 mm，推测轴承运转过程中内圈与外圈均存在异常转动；内圈滚道面仅有轻微温升，外圈整体温升显著且滚道面发生整体粘着磨损，因此推测轴承外圈与轴承座、内圈与轴间均产生异常滑动摩擦且散热不良，这是造成外圈异常升温的主要原因。 

车辆调查显示，该型号变速箱采用喷溅式给油方式，即通过喷头向部件洒溅润滑油，此方式虽简单且利于结构轻量化，但润滑效果较差；外部甩油很难充分润滑轴承，当车辆上坡或下坡出现一定角度时，易导致润滑不到位，从而降低轴承的散热性能，使高温在轴承内持续积聚难以散出。 

3.   结束语

失效轴承的化学元素、非金属夹杂物、碳化物级别等指标均符合GB/T 18254—2016的要求，产品质量未见明显异常；轴承外圈滚道面存在粘着磨损，伴有二次淬火层，组织为粗大的针状马氏体；内圈内径面发现存在局部烧伤。综合分析认为，轴承运转时外圈滚道面产生的异常高温是造成外圈粘着磨损的主要原因，轴承内圈与轴间均发生异常滑动摩擦且散热不良是造成外圈异常升温的主要原因。异常高温、散热不良与产品润滑条件、装配情况及运行状态等因素相关，需进一步调查车辆润滑方式、装配及运行状况。 

针对产品分析结果与改进建议，公司对车辆运行及装配情况进行审核，未发现明显问题，而润滑条件由某乘用车公司设计决定。公司与乘用车公司交流后得知，该公司此前变更过变速箱设计（一个变速箱内有4套轴承），轴承的给油方式从点喷式（变速箱4个位置定点给油）更改为喷溅式（变速箱1个位置给油，运转后将油喷溅至各轴承表面），导致车辆在上、下坡或刚启动时易出现给油不足的情况。经持续沟通，该乘用车公司最终变更部分变速箱的设计，尤其在轴承游隙及给油量方面进行了较大调整，最终该类型失效情况减少约60%。 

来源--金属世界