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軸承保持架斷裂原因分析

2013-11-11

梁華　張延芳　梁林霞
（洛陽(yáng)軸承研究所，河南洛陽(yáng)　200331）
　　63/28軸承保持架形態(tài)為沖壓浪形，材料為08鋼，零件表面經(jīng)氣體氮碳共滲處理。常規(guī)工藝為：加熱到570℃，保溫3-4h，油冷或水冷。裝配成套的軸承保存一段時(shí)間后部分軸承保持架發(fā)生斷裂，其它零件均無(wú)異常。觀察斷口發(fā)現(xiàn)斷裂位置都在鉚釘鉚合部位，為此對(duì)斷裂原因進(jìn)行了分析。
　　1　檢驗(yàn)
　　從斷裂保持架的軸承中任意抽取兩套進(jìn)行分析，編號(hào)分別為1號(hào)和2號(hào)。
　　1.1 保持架的金相組織
　　軸承保持架的金相檢查在日本MG型顯微鏡下進(jìn)行，腐蝕劑采用4%硝酸酒精溶液。其氮碳共滲層深度、表層及心部金相組織見表1及圖1。
表1 斷裂保持架金相檢驗(yàn)結(jié)果


圖1 氮碳共滲保持架金相組織 ×500
（a）心部組織；（b）1號(hào)保持架共滲層；（c）2號(hào)保持架共滲層；（d）2號(hào)保持架邊角效應(yīng)?。?times;100）
　　分析金相檢驗(yàn)的結(jié)果可知：①保持架表面經(jīng)氮碳共滲處理后氮原子已滲透，在提高表面硬度的同時(shí)，心部組織也發(fā)生了改變，見圖1a。②從圖1b和1c可以看出，氮碳共滲層（ε相和ν′相）過(guò)深，且存在不同程度的疏松和一定厚度的黑色帶狀組織，2號(hào)保持架更為嚴(yán)重。③2號(hào)保持架的滲氮層存在明顯的不均勻現(xiàn)象和邊角效應(yīng)（見圖1d）。
　　1.2 保持架的硬度
　　保持架的表層及心部硬度檢測(cè)結(jié)果見表2。從表2可以看出：兩件保持架的表面硬度值相差較大，根據(jù)金相檢驗(yàn)結(jié)果推測(cè)，其數(shù)值差別可能是由于2號(hào)試樣氮碳共滲層疏松較為嚴(yán)重，厚度不均勻以及制樣時(shí)磨削量偏大，而黑色帶狀組織又較厚等多種原因所致。
表2 保持架表面及心部硬度
　　2　結(jié)果分析與討論
　　2.1 氮碳共滲層深度
　　氮碳共滲層主要由Fe2-3N（ε相）和（ν′相）組成，硬度較高，因而提高了零件的疲勞強(qiáng)度和表面的耐磨性、抗蝕性能等[1]。按照工藝要求，氣體氮碳共滲層深度應(yīng)為0.005-0.012mm，而該批保持架的氮碳共滲層深度已達(dá)0.050mm，其主要原因可能是氮碳共滲溫度較高且時(shí)間較長(zhǎng)。氮碳共滲溫度對(duì)化合物層硬度、滲層深度以及表面硬度有很大的影響，隨著氮碳共滲溫度的升高，化合物層厚度增加。另外，氮碳共滲溫度對(duì)化合物層的不均勻性和疏松程度也有影響：溫度愈高，疏松層愈厚，疏松程度也愈嚴(yán)重[2]，氮碳共滲處理的效果就會(huì)受到較大的影響。ε相為脆性相，極易崩落，而過(guò)深的白亮層（ε相和ν′相）必然導(dǎo)致保持架的脆化。
　　2.2 黑色組織
　　黑色組織是氮碳共滲層的缺陷組織，有資料認(rèn)為是一種空洞，可能是由于內(nèi)氧化而產(chǎn)生的氧化物。它一般僅分布于零件表面深度很淺的范圍內(nèi)。黑色組織的存在會(huì)降低零件表面的致密度，影響耐磨性能，且易于剝落，甚至發(fā)生斷裂[1]。該批軸承保持架出現(xiàn)黑色組織是氮碳共滲溫度偏高的結(jié)果，共滲時(shí)間愈長(zhǎng)則黑色帶愈寬，故硬度降低。從表1和表2可以推斷出2號(hào)保持架氮碳共滲過(guò)熱時(shí)間比1號(hào)長(zhǎng)，因而白亮層及黑色帶狀較寬、不均勻并存在明顯的邊角效應(yīng)（見圖1c和1d），另外表面硬度也較低。
　　2.3 擴(kuò)散層及心部組織
　　碳鋼氮碳共滲后出爐快冷，在金相顯微鏡下觀察其擴(kuò)散層，與氮碳共滲前無(wú)明顯差別。這是由于在氮碳共滲溫度下滲入到擴(kuò)散層中的氮均固溶于α-Fe中，在隨后油冷時(shí)成為過(guò)飽和氮的α-Fe固溶體，因而看不出擴(kuò)散層的深度。必須再在300℃下回火1-2h，促使氮由過(guò)飽和α-Fe中析出形成Fe4N（又稱ν′相）針狀分布在鐵素體基體上，才能測(cè)得一定深度的氮化擴(kuò)散層。但值得強(qiáng)調(diào)的是，在生產(chǎn)中采用回火法僅僅是為了顯示擴(kuò)散層的深度，對(duì)產(chǎn)品零件不宜采用回火處理，因?yàn)榈獜?alpha;-Fe中脫溶后，會(huì)引起疲勞強(qiáng)度的下降，同時(shí)還增加了脆性[3]。據(jù)金相分析，該批軸承保持架不僅已氮碳共滲滲透至心部，而且還經(jīng)歷了類似于回火的過(guò)程，使鐵素體基體上析出了黑色針狀ν′相，見圖1a和1d。
　　2.4 保持架的應(yīng)力
　　沖壓成型的保持架具有一定的冷加工應(yīng)力，經(jīng)氮碳共滲后必然會(huì)疊加一定的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，尤其是保持架的鉚釘鉚合處。由于該部位冷沖壓變形比較大，再加上鉚釘鉚合時(shí)所造成的應(yīng)力使得該部位存在較大的殘余應(yīng)力，造成了應(yīng)力集中。當(dāng)保持架由于某種原因脆性增大時(shí)，材料的強(qiáng)度低于殘余應(yīng)力，保持架就會(huì)發(fā)生開裂，從而導(dǎo)致軸承早期失效。
　　2.5 關(guān)于保持架表面處理工藝的討論
　　由于目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)軸承保持架表面處理技術(shù)條件的標(biāo)準(zhǔn)，給分析工作造成了一定的困難。據(jù)文獻(xiàn)[4]介紹，同種類型（成分、尺寸相近，經(jīng)過(guò)氮碳共滲處理）的日本保持架，其氮碳共滲層深度為0.0075mm，表面硬度及心部硬度分別為696HV0.01和171HV0.01。比較而言，該斷裂保持架的滲層過(guò)深（約是日本的6倍），表面硬度偏低，而心部硬度值又偏高。結(jié)合金相組織檢查和分析結(jié)果，可以確定斷裂保持架的表面處理工藝確實(shí)存在諸多不足，如氮碳共滲溫度過(guò)高、冷卻速度較慢等。不合理的氮碳共滲工藝必然會(huì)影響保持架的使用性能和壽命。
　　3　結(jié)論及建議
　　（1）保持架氮碳共滲工藝不合理，致使?jié)B層過(guò)深、表層硬度過(guò)低而心部硬度太高，且存在黑色帶狀組織，增加了保持架的脆性，導(dǎo)致開裂。
　?。?）擴(kuò)散層析出的黑色針狀組織是由于保持架氮碳共滲冷卻速度較慢，而黑色帶狀組織的出現(xiàn)是由于氮碳共滲溫度偏高造成的，2號(hào)保持架更嚴(yán)重一些。
　?。?）軸承保持架多在鉚釘鉚合部位開裂是由于此處應(yīng)力大且比較集中，更易使脆化的保持架開裂。
　?。?）建議調(diào)整工藝并嚴(yán)防氮碳共滲溫度過(guò)高，以避免不必要的損失。
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1]上海市機(jī)械制造工藝研究所.金相分析技術(shù)[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,1987:522-523.
　　[2]柳祥訓(xùn),等.化學(xué)熱處理問(wèn)答[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1991:133.
　　[3]上海交通大學(xué)《金相分析編寫組》.金相分析[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1982:311
　　[4]洛陽(yáng)軸承研究所.摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸承保持架表面處理技術(shù)研究及應(yīng)用[R].1999.
來(lái)源：《金屬熱處理》2005年第30卷第3期