大型軸承表面裂紋原因分析

1、大型軸承表面裂紋原因分析李立軍，龔桂仙，吳立新，張友登(武漢鋼鐵集團公司技術中心，湖北武漢430080)摘要：對進口大型軸承內套圈表面裂紋進行分析。結果表明，裂紋產生的原因與磨削工藝不當有關，在磨削過程中發(fā)生高溫回火燒傷，使材料表面斷裂強度降低而產生裂紋。關鍵詞：軸承；裂紋；分析 某冷軋廠冷軋機組進口支承輥軸承，內套圈外徑990mm，內徑900mm，寬度420mm。軸承內套圈與支承輥裝配采用熱裝工藝，在油箱中將軸承內套圈加熱到166，保溫25min，取出后迅速裝到支承輥上。熱裝后，對軸承內套圈表面進行最后的磨削，保證內套圈與支承輥的同心度。在軸承使用之前，發(fā)現(xiàn)多個軸承內套圈外表面有很多細小裂紋

2、。通過對軸承內套圈進行取樣分析，探明了裂紋產生的原因，本文介紹分析過程及結果。1檢驗與結果1.1裂紋特征1.1.1裂紋表面特征檢查多個軸承內套圈外表面，肉眼很難發(fā)現(xiàn)裂紋。采用磁粉探傷、著色和熒光顯示，在內套圈外表面上發(fā)現(xiàn)許多細小裂紋，裂紋位置的分布無規(guī)律，在內套圈外表面的邊部、中部及整個圓周方向均發(fā)現(xiàn)了裂紋。裂紋大多數(shù)呈放射狀，其中有的呈“人”字形，有的呈“T”形，有的呈“”形，另外還有少數(shù)裂紋呈分散條狀。在放射狀裂紋密集的區(qū)域，裂紋交織成網狀。對內套圈外表面進行熱酸蝕檢查，發(fā)現(xiàn)表面裂紋更加明顯圖1(a)。淺磨內套圈外表面試樣(保留磨削加工過程中的磨痕)，在金相顯微鏡下觀察，裂紋與磨痕方向呈一

3、定角度或垂直圖1(b)。進一步磨去試樣表面磨痕并拋光，在金相顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋由斷續(xù)分布的線條組成，線條呈彎曲狀圖1(c)。(a)熱酸蝕后； (b)淺磨后； (c)拋光后圖1裂紋表面特征1.1.2裂紋截面特征選取內套圈截面試樣進行觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋僅分布于外表層，未出現(xiàn)在內部和內表層。在金相顯微鏡下觀察有裂紋截面試樣，裂紋垂直于表面而向內擴展，并從表面至內部由粗到細而逐漸消逝圖2(a)。在掃描電鏡下可觀察到裂紋尾端有分叉圖2(b)。對多條裂紋的深度進行測量的結果見表1。(a)裂紋由表向內擴展； (b)裂紋尾端的分叉圖2裂紋截面特征1.2化學成分內套圈化學成分(質量分數(shù)，%)分析結果見表2。按照

4、我國滲碳軸承鋼的技術要求，除碳外，該內套圈屬于G20Cr2Ni4鋼(我國G20Cr2Ni4鋼的碳含量在0.170.23之間)。進口商提供的內套圈成分(%)范圍為：C0.100.16、Mn0.300.50、Cr1.301.60、Ni3.253.75、Mo低于0.15，該內套圈的化學成分均在進口高提供的成分范圍內。1.3顯微組織檢驗選取軸承內套圈截面試樣進行酸浸低倍組織檢驗，沒有發(fā)現(xiàn)低倍組織缺陷。對內套圈表面和截面組織進行觀察，發(fā)現(xiàn)在表層有一層較厚的滲碳層，表明該內套圈經過了滲碳處理。分別選取有裂紋區(qū)域和遠離裂紋區(qū)域的外表面試樣，觀察表面和截面組織。從截面上看，由表面至心部組織大致可分為4層(表3

5、)。裂紋內無FeO，附近無脫碳特征。在有裂紋區(qū)域和遠離裂紋區(qū)域的外表層，均觀察到一層“黑色”組織，但兩者有明顯的區(qū)別：遠離裂紋區(qū)域的表層組織以回火馬氏體居多，屈氏體少數(shù)，而有裂紋區(qū)域的表層組織以屈氏體居多，回火馬氏體為少數(shù)；遠離裂紋區(qū)域的表層“黑色”組織明顯比有裂紋區(qū)域的薄(圖3)，表層黑色組織的厚度測量結果見表4。外表面碳化物級別為：粗大碳化物多數(shù)為1級，少數(shù)為2級；網狀碳化物為1級。夾雜物級別為A1.5、D0.5，通過能譜分析，表明夾雜物主要為MnS和少量Al2O3。利用X射線衍射儀測量內套圈外表面和心部的殘余奧氏體量，結果為：外表面8.87%，心部3.6%。(a)裂紋區(qū)域； (b)遠離裂

6、紋區(qū)域圖3黑色組織特征1.4表面殘余應力利用X射線應力儀，選擇外表面有裂紋和沒有裂紋的同一批軸承內套圈，分別測量表面的殘余應力，結果表明均為壓應力。2分析討論2.1裂紋產生階段根據(jù)裂紋表面和截面的特征分析，內套圈外表面上的裂紋有4個規(guī)律性特征：裂紋隨機分布在外表面的任意部位；裂紋大多數(shù)呈放射狀，少數(shù)呈分散條狀，裂紋與磨痕方向呈一定角度或垂直；裂紋在截面上的深度較淺，在0.2mm以內；裂紋垂直于表面向內擴展，并由粗到細逐漸消逝，裂紋末端有分叉。由這些規(guī)律可以判斷該裂紋屬于磨削裂紋，即在磨削過程中產生的裂紋。2.2裂紋產生原因磨削工藝因素該軸承屬于大型零件，一般需經滲碳、淬火、高溫回火后，再經二次

7、淬火和回火。經過處理后表層組織一般為細小馬氏體、一定量碳化物和適量殘余奧氏體。通過金相組織觀察，發(fā)現(xiàn)在出現(xiàn)裂紋的軸承內套圈中，第2層組織符合這種組織特征，但在表層出現(xiàn)了屈氏體。這層屈氏體屬于典型的磨削高溫回火燒傷組織，即在磨削過程中，由于磨削工藝不當(如磨削過烈、冷卻不良等)，引起軸承內套圈外表面局部受熱(溫度在Ac1以下)，馬氏體繼續(xù)分解轉變?yōu)榍象w。在裂紋位置和遠離裂紋位置的大量試樣均發(fā)現(xiàn)了表層屈氏體，說明該內套圈在磨削過程中有高溫回火燒傷現(xiàn)象。大量實驗和理論分析認為1，由于磨削過程中高溫回火燒傷產生的屈氏體組織，會降低材料表面的斷裂強度，使表面承受的應力超過材料的斷裂強度，從而產生裂紋。

8、高溫回火燒傷是否產生磨削裂紋與燒傷程度有關系，如果燒傷輕微，表層屈氏體組織較少，裂紋還不足以產生，反之如果燒傷嚴重，表層屈氏體組織較多，材料表面斷裂強度大大降低，表面拉應力超過承載極限，裂紋將產生。在本文軸承內套圈中，由高溫回火燒傷產生的屈氏體組織，在表層分布不均勻，裂紋附近比遠離裂紋位置的屈氏體多，說明在燒傷較嚴重、屈氏體較多的區(qū)域材料表面斷裂強度降低較多，表面拉應力超過承載極限，從而產生了裂紋。而在燒傷輕微、屈氏體較少的區(qū)域，材料表面斷裂強度降低較少，表面拉應力還沒有超過承載極限，裂紋無法產生。材料因素對于大型滲碳軸承零件，滲層的成分與組織及其在磨削中的變化決定了斷裂強度的高低，一般需對馬

9、氏體、碳化物、殘余奧氏體進行控制：馬氏體組織必須細小，因為粗大馬氏體的脆性較大，甚至可能存在許多顯微裂紋，這種組織易于產生磨削裂紋；嚴格控制碳化物級別，因為碳化物是脆性相，其斷裂抗力低、導熱能力差，控制碳化物級別可大大減小磨裂幾率；殘余奧氏體要少，殘余奧氏體的導熱性只有馬氏體的一半，殘余奧氏體量越多，磨削過程中的熱應力越大，磨裂傾向也增加。另外，滲碳軸承鋼技術條件中還對低倍組織、夾雜物等進行了規(guī)定。此次分析的軸承內套圈，材料檢驗可以歸納為：酸浸低倍檢驗沒有發(fā)現(xiàn)內套圈有低倍組織缺陷；化學成分符合大型零件滲碳軸承鋼的要求；外表面的表層和次表層均為細小馬氏體，馬氏體組織致密，沒有發(fā)現(xiàn)內部顯微裂紋，馬氏體組織符合大型零件滲碳軸承鋼的要求；碳化物和夾雜物級別在滲碳軸承鋼控制范圍內；表面殘余奧氏體較少。這些表明磨削前的材料和熱處理工藝不是導致裂紋產生的原因。因此，此次軸承內套圈產生外表面裂紋的原因是磨削工藝不當。產生裂紋的過程大致可描述為：磨削過程中由于磨削工藝不當(如磨削過烈、冷卻不良等)，產生摩擦熱，引起軸承內套圈外表面局部受熱，表面組織產生高溫回火燒傷，馬氏體分解轉變?yōu)榍象w；表層屈氏體組織使材料表面斷裂強度降低，