滚针轴承

滚针轴承

滚针轴承

滚针轴承(needle bearing)是带圆柱滚子的滚子轴承，相对其直径，滚子既细又长。这种滚子称为滚针。尽管具有较小的截面，轴承仍具有较高的负荷承受能力，因此，特别适用于径向空间受限制的场合。

　　滚针轮廓面在近端面处稍微收缩。滚针和滚道线接触修正的结果可

滚针轴承

避免产生有破坏性的边缘应力。支承滚轮滚针轴承系厚壁外圈，经高温高氮淬火，高精密分选的滚子由高刚性外圈的挡边引导，利用线状接触，滚轮可以直接在滚道上轻松转动，并可以承受巨大的载荷。为去除应力，支撑滚轮的外圈采用弧面设计，曲线滚轮有带单、双密封圈、不带密封圈、带密封环等各种规格型号。带密封圈存储润滑脂空间大、提供锂基脂长久性润滑，并延长润滑间隔。密封圈材质为带骨架丁腈橡胶或ST12，其运转温度范围为-30°C至+100°C或-30°C至+180°C 。密装式的曲线滚轮可承受较重的极强载荷和高性能运转。 RSTO外圈无挡边，无内圈支承滚轮

　　滚针轴承装有细而长的滚子（滚子直径D≤5mm，L/D≥2.5，L为滚子长度），因此径向结构紧凑，其内径尺寸和载荷能力与其他类型轴承相同时，外径最小，特别适用于径向安装尺寸受限制的支承结果。根据使用场合不同，可选用无内圈的轴承或滚针和保持架组件，此时与轴承相配的轴颈表面和外壳孔表面直接作为轴承的内、外滚动表面，为保证载荷能力和运转性能与有套圈轴承相同，轴或外壳孔滚道表面的硬度，加工精度和表面质量应与轴承套圈的滚道相仿。此种轴承仅能承受径向载荷。

滚针轴承的类型

　　除了型录所列，可用于一般工程的轴承，如：敞开式冲压外圈滚针轴承（1）、封闭式冲压外圈滚针轴承（2）、具内圈滚针轴承（3）和不具内圈滚针轴承/无内圈无保持架滚针轴承（4）、有保持架和无保持架装满滚针轴承（5）SKF还可供应各种类型的滚针轴承，1、滚针保持架组件2、无挡边滚针轴承3、自调心滚针轴承4、组合滚针/球轴承5、组合滚针/推力球轴承6、组合滚针/圆柱滚子推力轴承

　　STO外圈无挡边，有内圈支承滚轮

　　RNA22...2RS双面密封，无内圈支承滚轮

　　NA22...2RS双面密封，有内圈支承滚轮

　　NATR

　　NATR...PP平挡圈轴向引导支承滚轮

　　NATV

　　NATV...PP平挡圈轴向引导支承滚轮，满针型

　　NUTR滚动体引导支承滚轮，满滚子型

　　CRY英制平挡圈轴向引导支承滚轮

冲压外圈滚针轴承

　　冲压外圈滚针轴承 为具薄型冲压成型外圈的滚针轴承。其主要特点是截面高度很低而承受负荷能力较高。主要用于结构紧凑、价格便宜且轴承箱内孔不能作为滚针保持架组件滚道的轴承配置。轴承与轴承箱须以干涉配合方式安装。若可省去箱肩、止动圈等轴向定位功能，那么，轴承箱内孔可做得极简单及经济。

　　装在轴端的冲压外圈滚针轴承有双侧敞开式（1）和单侧封闭式（2）。封闭冲压外圈的基端面可以承受不大的轴向引导力。

　　冲压外圈滚针轴承一般不附内圈。在轴颈无法淬硬和研磨的场合，可以采用表中所列内圈。

　　冲压外圈滚针轴承的淬硬钢板外圈与滚针保持架组件不可分离。储存润滑剂的自由空间可以延长补充润滑间隔期。轴承一般采用单列设计。但较宽规格的轴承1522，1622，2030，2538和3038等系列除外，它们装有二个滚针保持架组件。轴承外圈有润滑油孔。根据用户需要，轴直径大于或等于7mm的所有单列冲压外圈滚针轴承都可配备带润滑油孔的外圈（代号后缀AS1）。

　　具油封冲压外圈滚针轴承

　　在由于空间限制无法安装油封之场合，可提供敞开端或封闭端具油封冲压外圈滚针轴承（3至5）。这类轴承装备聚氨酯或合成橡胶的摩擦式油封，其中充填具有良好防锈性能的锂基滑脂，适用运行温度-20至+100℃。

　　具油封轴承的内圈比外圈宽1mm，这一点使轴承在机轴相对轴承箱有微量位移时也可保证油封工作良好而免致轴承受污染。轴承内圈也有润滑孔，可以根据轴承配置之需要，由外圈或内圈补充润滑。

　　滚针轴承分类：

　　滚针轴承分为：

　　1.向心滚针和保持架组件

　　2NA,NKI型滚针轴承

　　3.RNA,NK型无内圈滚针轴承

　　4HK型冲压外圈滚针轴承

　　5.BK型冲压外圈滚针轴承

　　装在轴端的冲压外圈滚针轴承 有双侧敞开式（1）和单侧封闭式（2）。封闭冲压外圈的基端面可以承受不大的轴向引导力。

　　装在轴端的冲压外圈滚针轴承 有双侧敞开式（1）和单侧封闭式（2）。封闭冲压外圈的基端面可以承受不大的轴向引导力。

冲压外圈滚针轴承英文型号说明

　　公制系列:HK、BK、F、FH、FY、MF、MFH、MFY； TA..Z、TLA..Z、TAM、TLAM、YT、YTL。

　　英制系列:SCE、BCE、SCH、BCH、SN、B、BH、M、MH、；BA...Z、BHA...Z、BAM、BHAM、YB、YBH。 例: HK XX YY型号 内切圆直径XX 高度YY

　　RS------为一个密封圈配公制系统

　　2RS-----为二个密封圈,配公制系统

　　P-------为一个密封圈,配英制系统

　　PP------为二个密封圈,配英制系统

　　ASI/OH---为油孔 HK、BA、TA..Z--穿孔型冲压外圈滚针轴承

BK、TAM、TLAM--封口型冲压外圈滚针轴承

　　F--穿孔型冲压外圈满装滚针轴承

　　FY、YT--穿孔型冲压外圈满装滚针轴承(油脂限位)

　　FH、YTL--穿孔型冲压外圈满装滚针轴承(重系列)

　　MF--封口型冲压外圈满装滚针轴承

　　MFH--封口型冲压外圈满装滚针轴承

　　SCE--穿孔型冲压外圈滚针轴承

　　BCE--封口型冲压外圈滚针轴承

　　SCH--穿孔型冲压外圈滚针轴承

　　BCH--封口型冲压外圈滚针轴承

　　SN--穿孔型冲压外圈满装滚针轴承

　　B--穿孔型冲压外圈满装滚针轴承

　　BH--穿孔型冲压外圈满装滚针轴承(重系列)

　　M--封口型冲压外圈满装滚针轴承

　　MH--封口型冲压外圈满装滚针轴承(重系列)

实体套圈滚针轴承

　　实体套圈滚针轴承是由一个或两个套圈以及带有保持架的滚针组组成。根据应用场合的不同，可分为带内圈或不带内圈的轴承。因此，实体套圈滚针轴承可以满足重量轻，占用空间小、传递功率大的要求。实体套圈滚针轴承具有较小的体积及较高的承载能力。

主要结构型式

　　外圈双挡边（或双锁圈）带保持架滚针轴承 NA、NKI型

　　可分别安装内圈和外圈（带锁圈、全套滚针和保持架），权限转速高，分单列和双列两种。

　　如果轴不能用来作为滚道，即若将轴淬硬用研磨不可能或不经济时，则可采用此类带内圈的滚针轴承。

无内圈有保持架滚针轴承

　　NA、NKI型轴承不带内圈即为RNA、NK型滚针轴承。

　　此种轴承无内圈，适用于径向安装尺寸受限制的支承结构，与轴承相配的轴颈直接作为滚动面。作为滚道面的轴，必须淬硬件并进行研磨，而且只有将其加工到适当的尺寸和形状精度时，整套滚针轴承才能较高的寿命及运行精度。同时，由于无内圈，因此轴的直径也可作适当加大，从而也增加了刚性。 [1]

组合滚针轴承

　　组合滚针轴承是由向心滚针轴承和推力轴承部件组合的轴承单元，其结构紧凑体积小，旋转精度高，可在承受很高径向负荷的同时承受一定的轴向负荷。并且产品结构形式多样、适应性广、易于安装。

　　组合滚针轴承广泛用于机床、冶金机械、纺织机械和印刷机械等各种机械设备，并可使机械系统设计的十分紧凑灵巧。

推力滚针轴承

　　推力轴承由带滚针或圆柱滚子或滚珠的推力保持架组件和推力垫圈组成。滚针和圆柱滚子受到推力保持架的保持和引导。在与不同系列的DF推力轴承垫圈一起使用时，则可为轴承的配置提供许多不同的组合。由于选用高精度圆柱滚子（滚针）增加了接触长度，使得此轴承在很小的空间下可获得高载荷能力和高的刚度。另一优点是，如果相邻零件表面适于作滚道面时可省去垫圈，可使设计紧凑，DF推力滚针轴承和推力圆柱滚子轴承采用的滚针和圆柱滚子的圆柱面为修形面，可减少边缘应力，提高使用寿命。

滚针轴承的安装

　　安装满装滚针轴承，通常是利用辅助套筒进行

的。这时，辅助辊或辅助套筒托住滚针不使滚针掉出，轴颈以其自身的倒角将滚针掀起，随着滚针轴承在轴颈上向里缓缓移动，辅助辊或辅助套筒便慢慢退出，直至装到工作位置为止。

　　辅助辊、辅助套筒的外径应比轴直径小0。1―0。3mm。安装时，先将轴承外圈内表面涂以润滑脂，靠紧内表面贴放滚针（放入最后一根滚针时应留有间隙），接着把代替轴颈或轴承内圈的辅助辊或辅助套筒推入外圈孔内，并使其端面对准安装轴端面或已安装在轴上的轴承内圈端面，然后用压力机或手锤敲打施加压力。

　　滚针轴承也可以这样安装，即将辅助套筒外径涂一薄层润滑油，套入轴承外圈，使辅助套筒和轴承外圈构成一个环形孔，然后再于环形孔中装滚针。装完滚针之后，用工作轴将辅助套筒推出即可。

　　对于无内圈或无外圈的滚针轴承，在安装时，可先将轴或壳体孔的滚动表面涂一薄层润滑脂，并把滚针依次紧贴于安装部位的润滑脂上。贴放最后一根滚针时应留有间隙，间隙的大小在滚针轴承的圆周上以0。5mm为宜。不能把最后一根滚针硬挤装进去，或者少装一根滚针，因为硬挤装时，轴承会被卡死不能旋转；少装时，间隙过大，易造成轴承运转时滚针发生扭摆和折断。对于只有冲压外圈的滚针轴承，由于外圈壁很薄，不要用手锤敲打安装，应使用压力机压入。因为手锤敲打时，压力不均匀，容易使滚针轴承的外圈产生局部变形。

滚针轴承使用注意事项

　　滚针轴承承载能力大，适用于安装尺寸受限制的支承结构，

轴颈表面经淬硬作为滚动面，轴承用压入配合装入座孔中，无须再对它进行轴向定位。

　　轴承在安装前应注入适量的润滑脂，通常情况下，装配后不用再润滑 BK型轴承用于轴颈无伸出端的支承中，端面封闭起密封作用，并能承受小的轴向游动。

高氮不锈钢滚轮滚针轴承外圈动载失效原因分析

文/苏格历史

编辑/苏格历史

前言

钢铁产业是我国推进工业现代化的重要支柱产业，不锈钢在日常生产生活中被大量应用，传统的不锈钢中主要含有镍、铬等合金元素，由于镍的价格上升，以经济实用的氮、锰替代镍研发出了高氮不锈钢，提高了强度和韧性。

高氮不锈钢是一种重要的轴承材料，因为其具备高硬度和耐蚀性，所以被大量用于海洋船舶、航空航天、石油化工和核工业等领域。

螺栓滚轮轴承适用于各种安装尺寸大小受限制的支撑结构，承载能力较大。作为同类轴承的满装圆柱滚子轴承，不但可以承受较高的负荷与外界冲击所带来的负荷压力，而且结构更加紧凑多样、旋转精度更高 。此外该型轴承品种多样、安装简单、易于工人操作，被广泛应用于机床、冶金等各种行业领域中。

滚动轴承主要用于机床的主轴、滚珠丝杠和一般传动轴这3个部位 。主轴轴承作为机床的重要部件，其性能直接影响到机床的转速、回转精度、刚性等，进而对加工零件的精度、表面质量等产生不良影响。所以，高性能的机床必须选用高性能的轴承。

由于滚针轴承径向截面尺寸小，径向载荷大，所以机床主轴的变速箱主要选用滚针轴承 。所采用的组装G2级滚针，平均直径的上下偏差控制在2μm以内；采用高刚性保持架，能够正确地引导滚针平行于轴线，保证受力均匀。

某轴承厂进行动载试验的滚轮滚针轴承在试验过程中发生轴承失效，检查轴承后，确定失效原因是外圈开裂，沿轴承外圈轴向开裂，且裂纹贯穿轴承外圈。

为了降低成本，减少对进口高氮不锈钢滚轮滚针轴承的依赖，同时提高国内高氮不锈钢滚轮滚针轴承的制造技术，使国产滚轮滚针轴承替代同型号进口轴承 ，本文作者对国产高氮不锈钢滚轮滚针轴承外圈失效开裂原因进行研究，并提出解决问题的措施。

图 1 失效轴承外圈宏观照片

一、试验方法

滚轮滚针轴承在径向载荷作用下，导轨平面来回往复运动，带动轴承外圈沿导轨平面进行往复滚动 ：径向载荷Fｒ=95230N，轴承外圈转速R=25r/min，轴承寿命Lo=20000r(13.3h)。

一轮试验2套轴承，进口的滚轮滚针轴承简称为JKZC，国产滚轮滚针轴承按照生产工艺不同分别简称为棒车滚轮滚针轴承(BCZC)与锻车滚轮滚针轴承(DCZC)。

3种滚轮滚针轴承的热处理工艺相同，淬火温度1030℃，深冷-80℃，170℃回火3h 。第一轮：上轴承为JKZC/下轴承为BCZC；第二轮：上轴承为DCZC/下轴承为JKZC；试验原理与轴承安装位置如图2所示。

图 2 动载荷寿命试验原理

采用DK7720线切割机床无过热截取滚轮滚针轴承外圈制备金相试样，截取位置如图3所示，金相样件尺寸为长18mm、宽6mm，轴承外圈纵向锻造轧制面作为金相制备面 ，BCZC、DCZC与JKZC3种样件截取位置相同，金相试样大小一致。

先采用粒度为400目的粗糙砂纸把金相制备面打磨平整，再用1200目的细砂纸打磨金相制备面去除粗划痕，最后在金相抛光机上抛光去除细微划痕。

金相制备面打磨成镜面后用4%的硝酸酒精溶液腐蚀金相制备面，进行腐蚀时间为3s的浅腐蚀以及时间为6s的深腐蚀。采用金相显微镜对其金相组织进行观察，分析失效原因。

将BCZC、DCZC及JKZC金相试样，在超声波清洗机上用酒精清洗180s后用镊子取出，并用吹风机吹干，之后应用SEM拍摄断口形貌 。用EDS能谱对3种金相试样基体表面及二次析出相的化学成分进行检测与分析。

图3 金相试样截取位置 (a) 及金相试样 (b)

二、结果与分析

2.1滚轮滚针轴承动载荷寿命试验结果与分析

在动载试验工况下，DCZC运行5.5h后，外圈开裂，BCZC运行9h后，外圈开裂，JKZC未开裂。外圈沿轴向裂开，密封圈有破损，挡圈存在沿周向的磨损，外圈端面有磨损，滚针外径表面正常，未发现异常，如图4所示。

密封圈破损、挡圈磨损是由于外圈开裂，动载试验设备未及时停机引起的受力不均匀导致 ，如图4(a)、图4(b)所示，所以应主要分析外圈失效开裂原因。

根据DCZC与BCZC断口宏观形貌，银灰色断口，判断为脆性断裂，裂纹源初步确定为挡圈台阶R角处。

图4 挡圈 (a)、密封圈 (b) 及滚针(c)图片

2.2金相分析

对用4%的硝酸酒精溶液腐蚀时间为3s的浅腐蚀金相试样，用金相显微镜放大50倍和500倍进行金相组织观察。

结果发现：JKZC低倍镜下未发现网状组织，DCZC低倍镜下发现网状组织，碳化物分布不均匀。网状组织与锻造温度过高、冷却慢有关 。

对比图5与图6可知：500倍下的浅腐蚀与深腐蚀组织相近，未发现明显区别。

图 5 JKZC 浅腐蚀与深腐蚀图片

图 6 DCZC 浅腐蚀与深腐蚀图片

BCZC轴承外圈和JKZC轴承外圈500倍下显微组织相近，如图7(b)和图7(c)所示。图7(a)DCZC显微组织中的碳化物、氮化物与图7(b)BCZC以及图7(c)JKZC相比颗粒较少，应该是锻造温度过高导致。

为了避免轴承锻件内部组织晶粒粗大，因此套圈最后一次锻造/辗扩的锻件横截面在锻造/辗扩前后的尺寸比至少为1.5 ，故需要选择合理的镦粗比和辗压比。

此外采取适当降低终锻温度，增加锻后空冷速度(如分开摆放，增加风扇制冷等),以防止材料基体中形成网状碳化物。

图 7 3 种样件的金相组织对比

2.3硬度及残余奥氏体含量测试

硬度测试：对DCZC、BCZC和JKZC进行取样、镶嵌后进行硬度测试，结果如表1所示。

3种样件的硬度相当均在700HV左右，换算为洛氏硬度为60HRC，满足设计要求。

残余奥氏体含量测试：对3个样件的外圈外径表面进行了残余奥氏体含量的测定 ，DCZC和BCZC残余奥氏体含量值相当，结果见表2,残余奥氏体含量约为20%。

JKZC其他型号套圈外径表面残奥值约为10%。3种轴承的残余奥氏体含量均满足要求。

2.4SEM断口形貌分析

用扫描电镜拍摄靠近挡圈的轴承外圈R角处断口形貌，如图8所示。图8和图9对裂纹处进行了详细的分析，可以看到断口形貌特征大多是“河流花样” 。

“河流花样”的存在导致形成许多强烈反光的小平面——解理面，造成整体平整度较差。而裂纹更易沿特定的晶面扩展、劈开，为解理断裂，原因是面间距较大、键合较弱而易于开裂 ，裂纹可能沿晶界扩展，造成沿晶脆性断裂。

图8 开裂断口形貌5 000x

在晶粒内部解理初裂纹的扩展比较容易，但是由于各个晶粒的空间位向不同，解理初裂纹扩展到晶界后，会受到晶界的阻碍，在晶界附近造成应力集中 ，使得在相邻晶粒内与初裂纹所在晶面相交的解理面上形成新的裂纹源。

解理面是一组相互平行且处于不同高度的晶面，当解理裂纹向前扩展并相互接近时，其间连接的金属因承受较大的应力而很快被撕裂，形成解理台阶或撕裂棱，如图9所示。

解理裂纹继续扩展的过程中，解理台阶相互汇合，因此，在扫描电镜下可以看到由这些高低不平的解理台阶组成的“河流花样” ，并且“河流”都发源于晶界。

图9 开裂断口形貌 20 000x

而图9中的韧窝和第二相是塑性断裂特征。塑性断裂是微孔形成、扩大和连接的过程。在大的应力作用下，基体金属产生塑性变形后，在基体与非金属夹杂物、析出相粒子周围产生应力集中 ，使界面拉开，或使异相颗粒折断而形成微孔。

微孔的扩大和连接也是基体金属塑性变形的结果。较大而深的韧窝往往是由小的韧窝生长合并而来，由于具有较强的塑性变形能力，冲击时可以产生颈缩，吸收较多的冲击能，形成韧窝的形貌 ，可以大幅度提高材料的冲击韧性，属于塑性断裂的典型特征。所以开裂断口处是以脆性断裂为主，塑性断裂为辅。

2.5电镜扫描EDS能谱分析基体表面及二次析出相化学成分

使用扫描电镜对BCZC、DCZC及JKZC制备的金相试样的基体表面与二次析出相进行EDS能谱分析，基体表面主要化学元素含量如表3所示，二次析出相主要化学元素含量如表4所示。

对比分析得出：JKZC、BCZC和DCZC的基体中铁元素和铬元素含量比约为5∶1，3种样件基体铁铬含量比具有一致性。

所测谱图中，JKZC基体碳含量很稳定，DCZC碳含量在6%以上，BCZC碳含量最不稳定。JKZC基体表面各元素含量稳定，变化波动小，材料一致性好。JKZC基体与BCZC都含有7种元素，DCZC基体中氮元素含量很少。

JKZC与BCZC析出相中铁元素和铬元素含量比2∶3，DCZC析出相中铁元素和铬含量比约为1∶1 ，DCZC中铬含量低，是含氮化合物含量过少引起的。

综上所述可知，不论是基体表面还是二次析出相中，氮元素含量过低是引起开裂的化学元素影响，所以解决的措施是改进制造加工工艺，增加材料的氮含量。

增加高氮不锈钢氮元素含量后，高氮不锈轴承钢中基本消除了较大尺度的共晶碳化物，热处理回火后析出大量细小弥散的碳化物、氮化物 ，碳化物整体尺寸细小，分布均匀，钢能达到高强度与一定韧性储备的配合，并且耐蚀性和疲劳性能优异。

高氮不锈轴承钢中析出相细化、基体贫铬区减少及氮－钼协同作用，使其耐蚀性能明显优于440C钢，而且钢中氮含量越高，耐蚀性能越好 。因此，较高合金含量（碳＋氮）的高氮不锈轴承钢兼具高硬度和优异的耐蚀性能。

三、结论

通过上述分析可知，BCZC、DCZC及JKZC的金相组织、硬度及残余奥氏体含量测试都合格。DCZC金相组织放大50倍下发现网状碳化物会造成轴承外圈韧性降低，脆性增大，在轴承运行过程中受到外力作用极易开裂，造成早期快速脆性开裂。

经扫描电镜拍摄的断口形貌分析验证了DCZC轴承外圈断裂类型为早期快速开裂，“河流花样”的存在导致形成许多强烈反光的小平面—解理面，造成整体平整度较差。裂纹更容易沿着特定的晶面扩展、劈开，裂纹可能沿晶界扩展，造成沿晶脆性断裂。试样中少量分布的韧窝和第二相是塑性断裂特征。所以从微观形貌分析开裂断口处主要是脆性断裂，小部分是塑性断裂。

利用扫描电镜对3种样件进行EDS能谱分析可以得出，与JKZC和BCZC相比，不论是基体表面，还是二次析出相中DCZC氮元素含量太低，约为另2种样件的15%~25%。从金相显微组织中也可以看出DCZC的氮化物颗粒较少，原因是锻造温度过高，冷却缓慢所致。建议调整锻造工艺，增加锻造比，尽量消除带状组织。

由于3种材料的热处理工艺一致，可知热处理工艺对滚轮滚针轴承外圈失效开裂的影响不大，引起失效的原因从元素含量分析主要是氮元素含量过少、锻造过程中含氮化合物大量流失造成的。

参考文献：

[1]UGGOWITZERPJ,MAGDOWSKIR,SPEIDELMO.Nickelfreehighnitrogenausteniticsteels[J].ISIJInterna⁃

[2]SPEIDELPROFDRRERNATMO.Nitrogencontainingausteniticstainlesssteels[J].MaterialwissenschaftUndWerkstofftechnik,2006,37(10):875-880.

[3]杨吉春，田时雨，余海存，等．氮对含钒Q345钢组织和力学性能的影响[J].钢铁钒钛，2019,40(1):129-135.

[4]俞峰，魏果能，许达．不锈轴承材料的研究和发展[J].铁研究学报，2005,17(1):6-9.

[5]王书桓，张存帅，赵定国，等．高氮不锈钢高压冶炼工艺研究[J].上海金属，2021,43(5):1-6.

相关问答

[最佳回答]基本用不上。这种轴承主要应用到大轴径小轴承座、需要有小量轴向串动的地方,但是要求转速较低。

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