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(shù)中心，湖北武漢430080)摘要：對進口大型軸承內(nèi)套圈表面裂紋進行分析。結(jié)果表明，裂紋產(chǎn)生的原因與磨削工藝不當有關(guān)，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(chǎn)生裂紋。關(guān)鍵詞：軸承；裂紋；分析某冷軋廠冷軋機組進口支承輻軸承，內(nèi)套圈外徑<990mm內(nèi)徑<900mm寬度420mm軸承內(nèi)套圈與支承輻裝配采用熱裝工藝，在油箱中將軸承內(nèi)套圈加熱到166C,保溫25min,取出后迅速裝到支承輻上。熱裝后，對軸承內(nèi)套圈表面進行最后的磨削，保證內(nèi)套圈與支承輻的同心度。在軸承使用之前，發(fā)現(xiàn)多個軸承內(nèi)套圈外表面有很

2、多細小裂紋。通過對軸承內(nèi)套圈進行取樣分析，探明了裂紋產(chǎn)生的原因，本文介紹分析過程及結(jié)果。1.1.1 1檢驗與結(jié)果1裂紋特征裂紋表面特征檢查多個軸承內(nèi)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(nèi)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(nèi)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“x”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(wǎng)狀。對內(nèi)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)o淺磨內(nèi)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，

3、裂紋與磨痕方向呈一定角度或垂直圖1(b)o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)o(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(nèi)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(nèi)部和內(nèi)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(nèi)擴展，并從表面至內(nèi)部由粗到細而逐漸消逝圖2(a)o在掃描電鏡下可觀察到裂紋尾端有分叉圖2(b)o對多條裂紋的深度進行測量的結(jié)果見表1。(a)裂紋由表向內(nèi)擴展；(b)裂紋尾端的分叉圖2裂紋截面特征去1裂蚊深度測質(zhì)結(jié)果Tmbl«1r#ul

4、tsofcrackchpth裂蚊序號14$67裂觀深第Kia0,135Q15E0即O.Q4S01490152007PQ化學成分分析結(jié)果TiH«*R»:idtsofchtmwaJanalyih%元索C國耳切MR邕E65次培仃135:甘3.甘QM0.鈉S30.M7。加士表3截面金柏綱織L)bk31%打】。學cpbkftruuinTofaction工匕：第口展第孑層有裂，區(qū)相氏林川火梅品里氏體+沏小題粒狀罰化物及鄭升汨ft世礦化枸-找京奧氏體眄火筋晶馬氏旅一雛小彌散分布的載粒狀譴化物十殘余奧氏體性井伏鼻比律-就子里或你再整蚊區(qū)域到火器品馬氏株-用氏體f晶分呈用狀）-raidm也狀

5、通比物及前尋捌計狀通化物-騰余晏氏體:上降晶w氏體-細小彌觸分布的顆粒狀嵋優(yōu)物+殘余臭氏缽把針扶丐氏體+殘余奧氏體回火馬氏體+回火貝氏悚-殘余奧氏體j"令氐二世工：1工便;也玉嬖I；住化學成分內(nèi)套圈化學成分（質(zhì)量分數(shù)，）分析結(jié)果見表2。按照我國滲碳軸承鋼的技術(shù)要求，除碳外，該內(nèi)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(nèi)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(nèi)套圈的化學成分均在進口高提供的成分范圍內(nèi)。1.2 顯微組織檢驗選取軸承內(nèi)套圈截面試

6、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(nèi)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(nèi)套圈經(jīng)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）o裂紋內(nèi)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?。▓D3）,表層"黑色”組織的厚度測量結(jié)果見表4。外表面碳化物級別為

7、：粗大碳化物多數(shù)為1級，少數(shù)為2級；網(wǎng)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Al2O38.87%,心部3.6%利用X射線衍射儀測量內(nèi)套圈外表面和心部的殘余奧氏體量，結(jié)果為：外表面(a)裂紋區(qū)域；(b)遠離裂紋區(qū)域圖3黑色組織特征表4黑色卻織厚度測盤結(jié)果4«rw;ui*titblacLctrucrin#ihirkn«:在矍墳區(qū)域遠區(qū)城厚度hb52.5,54.2.4?.2>19.S.20.3.257>.一一.5一如加匕Wy；4T二，乏r二個才;“士fl二LZTf可;二：七二匚"彳1HiF=”尤£

8、；丁日工1*T二-/LlC-i1Lfk-t4E®1C-f1.4表面殘余應(yīng)力利用X射線應(yīng)力儀，選擇外表面有裂紋和沒有裂紋的同一批軸承內(nèi)套圈，分別測量表面的殘余應(yīng)力，結(jié)果表明均為壓應(yīng)力。2分析討論2.1裂紋產(chǎn)生階段根據(jù)裂紋表面和截面的特征分析，內(nèi)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(nèi)；裂紋垂直于表面向內(nèi)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(chǎn)生的裂紋。2.2.1 2.2裂紋產(chǎn)生原因磨削工藝因素該軸

9、承屬于大型零件，一般需經(jīng)滲碳、淬火、高溫回火后，再經(jīng)二次淬火和回火。經(jīng)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(nèi)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(nèi)套圈外表面局部受熱（溫度在AC1以下），馬氏體繼續(xù)分解轉(zhuǎn)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(nèi)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(chǎn)生的屈氏體組織，會降低材料表面的斷裂

10、強度，使表面承受的應(yīng)力超過材料的斷裂強度，從而產(chǎn)生裂紋。高溫回火燒傷是否產(chǎn)生磨削裂紋與燒傷程度有關(guān)系，如果燒傷輕微，表層屈氏體組織較少，裂紋還不足以產(chǎn)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(yīng)力超過承載極限，裂紋將產(chǎn)生。在本文軸承內(nèi)套圈中，由高溫回火燒傷產(chǎn)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(yīng)力超過承載極限，從而產(chǎn)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(yīng)力還沒有超過承載極限，裂紋無法產(chǎn)生。2.2.2 材料因素對于大型滲碳軸承零件

11、，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(chǎn)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)力越大，磨裂傾向也增加。另外，滲碳軸承鋼技術(shù)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(nèi)套圈，材料檢驗可以歸納為：酸浸低倍檢驗沒有發(fā)現(xiàn)內(nèi)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(nèi)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(nèi)；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(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的原因。因此，此次軸承內(nèi)套圈產(chǎn)生外表面裂紋的原因是磨削工藝不當。產(chǎn)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(chǎn)生摩擦熱，引起軸承內(nèi)套圈外表面局部受熱，表面組織產(chǎn)生高溫回火燒傷，