E2330軸承內(nèi)套滾道剝離失效—論文綜述綜述

1、E2330軸承內(nèi)套滾道剝離失效分析李海剛Demo Laboratory of BEI JING OPTON ZEISS scanning electron microscope 摘 要:通過(guò)蔡司掃描電子顯微鏡及能譜儀測(cè)試分析E2330軸承內(nèi)套滾道剝落的原因。結(jié)果表明:由于E2330軸承內(nèi)套成分不均,引起軸套內(nèi)局部的碳、鉻元素濃度的偏高，形成大量大塊呈圓形碳化物、淬火組織和殘余應(yīng)力的分布不均勻即增加了基體脆性，導(dǎo)致了E2330軸承內(nèi)套早期剝落失效。 abstract: through the ZEISS scanning electron microscope and energy-disper

2、sive spectroscopy (eds) test analysis, E2330 bearings inside set of groove causes are determined. The results show that: E2330 bearings inside because of the uneven composition, cause local of carbon in the collar, chromate element concentration on the high side, form a large chunk of a round carbid

3、e, quenching organization and residual stress of uneven distribution that to increase the matrix brittle, leading to the E2330 bearings inside set of early failure of spalling. 關(guān)鍵詞:軸承滾道；剝落；碳化物；應(yīng)力 keyword: ball track；spalling；carbide；stress軸承內(nèi)套在工作中往往會(huì)由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，材料質(zhì)量差、性能低，工作表面的缺陷、沖擊、振動(dòng)、安裝不當(dāng)和潤(rùn)滑不良等原因，造成軸

4、承早期失效。有關(guān)資料1表明軸承材料問(wèn)題和使用不當(dāng)造成的軸承早期失效，要占到軸承失效事故總量的90%以上。 某公司生產(chǎn)的E2330軸承內(nèi)套滾道，在使用過(guò)程中出現(xiàn)軸承內(nèi)套滾道早期剝落失效現(xiàn)象，在反復(fù)的滾動(dòng)和滑動(dòng)作用下，軸承和軸承套圈接觸表層和表面將出現(xiàn)疲勞。重復(fù)性的加載、卸載循環(huán)會(huì)產(chǎn)生表層變形和表面裂紋，超過(guò)一定循環(huán)次數(shù)后，表面最終剝離出碎片，在表面上留下凹坑，它們被稱為點(diǎn)蝕或剝落坑。300mm GCr15軸承鋼內(nèi)套在滾道處發(fā)生較大面積的剝落，因在剝落后機(jī)器仍在運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承內(nèi)套滾套在軸承反復(fù)的滾動(dòng)和滑動(dòng)作用下，剝落坑斷裂原始面貌已經(jīng)面目全非，坑底表面十分光滑，給分析剝落原因帶來(lái)較大困難，為此，筆者采

5、取綜合分析方法，在蛛絲馬跡中尋找可疑的信息，在剝離處中心沿縱向切開，進(jìn)行掃描電鏡及能譜分析，以尋求失效根本原因。1 蔡司掃描電子顯微鏡及能譜儀測(cè)試分析1.1在剝離處中心沿縱向切開，進(jìn)行掃描電鏡觀察；經(jīng)拆套后發(fā)現(xiàn)鋼球、保持架以及外套都完好無(wú)損，只有軸承的內(nèi)套滾道撕裂剝離，剝離坑呈V字形，剝離坑底部光滑，坑的上下各有一處凸起及二次裂紋，如圖 1、2所示。 圖 1軸承內(nèi)套滾道撕裂剝落 圖 1 軸承內(nèi)套滾道剝落小顆粒的宏觀形貌 形貌1.2 在軸承內(nèi)套滾道上取樣，試樣經(jīng)磨拋后，經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，在蔡司掃描電子顯微鏡觀察剝離部位附近的縱向面上存在較多的大塊呈圓形碳化物，不均勻分布，見圖2.1、2.

6、2、2.3、2.4所示；碳化物組織顆粒邊緣的微裂紋形貌，見圖2.5、2.6所示。大塊圓形碳化物、碳化物組織顆粒邊緣的微裂紋形貌，使熱處理后軸承套的使用性能變差、壽命變短。 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6圖 2掃描電鏡軸承內(nèi)套滾道的碳化物組織1.3 在原始軸承內(nèi)套滾道上取樣，經(jīng)過(guò)酒精清洗后，在蔡司掃描電子顯微鏡觀察原始軸承內(nèi)套滾道剝離形貌中，發(fā)現(xiàn)多處剝離一次裂紋及二次裂紋，如圖3.1、3.2所示；在軸承內(nèi)圈滾道底部剝落塊觀察到的接觸疲勞輪胎狀條紋形貌，在疲勞裂紋開裂后的斷口相對(duì)面上，在規(guī)則的往復(fù)推壓時(shí)，由相對(duì)面上的尖刃，大顆粒碳化物質(zhì)點(diǎn)反復(fù)擠壓或刻入形成壓痕，這些壓痕與汽車輪胎在

7、泥地上的壓痕十分相似，因此成為輪胎壓痕，如圖3.3所示；在軸承內(nèi)圈滾道底部觀察到的接觸疲勞剝落塊形貌，如圖3.4所示。 3.1 3.2 3.3 3.4圖3軸承內(nèi)套滾道的剝落裂紋形貌1.4 對(duì)經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后試樣進(jìn)行蔡司掃描電子顯微鏡結(jié)合能譜，進(jìn)行能譜測(cè)試，發(fā)現(xiàn)顯微組織中碳化物中大量存在強(qiáng)碳化物元素，表明軸承內(nèi)套在進(jìn)行回火時(shí)碳化物不能充分分解，并其中任意一個(gè)碳化物進(jìn)行能譜分析，分析表明碳化物中含有大量的強(qiáng)碳化物形成元素，進(jìn)而推理軸套存在合金元素分成偏析，結(jié)果如圖4所示。元素重量 百分比C 13.52Cr 2.12Mn 0.28Fe 84.08總量100.00 圖 4軸承內(nèi)套滾道的碳化物能

8、譜分析2 討論與分析從掃描電鏡觀察到的剝落塊疲勞條紋特征得以證實(shí)，軸承內(nèi)套在滾道處發(fā)生較大面積的剝落，屬于在交變應(yīng)力作用下的疲勞磨損斷裂。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，疲勞磨損剝落是由四個(gè)連續(xù)過(guò)程形成的，（1）在壓力p作用下，除在接觸表面產(chǎn)生拉應(yīng)力外，在載荷點(diǎn)的下方還存在剪切應(yīng)力，在交變剪切應(yīng)力作用下，使表層產(chǎn)生周期性變形和位錯(cuò)行為；（2）在碳化物、組織應(yīng)力集中的影響下，微小裂紋或空穴在變形中形成并不斷積聚；（3）在金屬產(chǎn)生塑性剪切變形時(shí)，裂紋在近乎與表面平行的方向上擴(kuò)展；（4）當(dāng)裂紋擴(kuò)展到表面時(shí)便形成薄片剝離層而最終剝離下來(lái)；最終軸承內(nèi)套滾道發(fā)生早期失效分析。G15軸套中一次碳化物是產(chǎn)生疲勞磨損斷裂的根源，掃描

9、電鏡都觀察到剝離部位附近的縱向面上存在較多的大塊呈圓形碳化物，這種碳化物也叫做液析碳化物，其來(lái)源于G15鋼材的冶煉和連鑄或模鑄過(guò)程；軸承鋼因化學(xué)成分的高碳、含有1.5% 左右的Cr，在凝固過(guò)程中遵循相律和選分結(jié)晶的自然規(guī)律，鋼液最終凝固時(shí)在樹枝狀晶之間凝固析出(Fe,Cr) 3C 及Cr7C3 大顆粒碳化物，即碳化物液析。這種碳化物屬于三角晶系，其硬度和脆性極高，易與奧氏體形成亞穩(wěn)態(tài)萊氏體共晶產(chǎn)物，是碳化物不均勻性中危害最大的一種，其破壞性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于點(diǎn)狀不變形夾雜物和氧化物夾雜。液析碳化物破壞了軸套性能的連續(xù)性，使用過(guò)程中在交變載荷、沖擊載荷的作用下、液析碳化物處極易產(chǎn)生應(yīng)力集中、而且由于液析

10、碳化物和基體的熱膨脹系數(shù)不同、在壓力加工過(guò)程中或零件熱處理時(shí)、在液析碳化物和基體的界面上易形成初始微裂紋、初始微裂紋是軸承疲勞磨損斷裂的裂紋源和產(chǎn)生疲勞剝落的根本原因。蔡司掃描電子顯微鏡結(jié)合能譜，進(jìn)行能譜分析測(cè)試，表明碳化物中強(qiáng)碳化物形成元素Cr、Mn元素含量過(guò)高，從而表明軸承內(nèi)套存在成分偏析現(xiàn)象，在隨后的熱處理過(guò)程中改變相圖C曲線位置，使組織相變不能同時(shí)發(fā)生形成大量呈圓形的碳化物、淬火組織和殘余應(yīng)力的分布不均勻即增加了基體脆性，削弱了晶粒與晶粒、晶粒與基體以及基體與基體之間的接合力；在含Cr、Mn元素含量過(guò)高區(qū)域形成大塊狀碳化物，存在大量大塊狀碳化物、碳化物硬度很高、塑性、韌性幾乎為零，脆性

11、很大。在反復(fù)的滾動(dòng)、滑動(dòng)、重復(fù)性的加載和卸載循環(huán)作用，軸承和軸承套圈接觸表層和表面為疲勞作用情況下，碳化物、組織及殘余應(yīng)力導(dǎo)致軸套微裂紋產(chǎn)生，超過(guò)一定循環(huán)次數(shù)后，微裂紋進(jìn)步擴(kuò)展到軸套表面，最終軸套表面出現(xiàn)剝離碎片及產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致軸套早起失效。綜上所述：E2330軸承內(nèi)套滾道在交變剪切應(yīng)力作用下，大顆粒液析碳化物及組織應(yīng)力部均勻分布成為疲勞磨損斷裂的裂紋源并產(chǎn)生微裂紋，這些微裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)，連接在一起，造成E2330軸承內(nèi)套滾道剝落失效。3 結(jié)論E2330軸承內(nèi)套滾道剝落的原因是軸承滾道顯微組織存在大量大塊狀呈圓形碳化物、淬火組織和殘余應(yīng)力的分布不均勻性。4 改進(jìn)措施 1、E2330軸承內(nèi)套原2材料GCr l5在生產(chǎn)上，首先應(yīng)從冶煉澆鑄工藝著手，盡最大可能降低成分偏析程度，控制GCr l5鋼中碳化物的形狀和尺寸；然后在加工工序采取合理的擴(kuò)散處理措施。就軋鋼工序而言，提高加熱溫度，延長(zhǎng)加熱時(shí)間，是消除液析碳化物的有效途徑之一。2、在E2330軸承內(nèi)套熱處理工