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E2330軸承內(nèi)套滾道剝離失效分析

2013-10-29

宋正會1　張國濱2　李海剛2
（1.凌鋼集團(tuán)質(zhì)量部，遼寧凌源　122504；2.歐波同蔡司電鏡Demo實(shí)驗(yàn)室， 北京　100020）
　　摘　要：通過蔡司掃描電子顯微鏡及能譜儀測試分析了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。
　　關(guān)鍵詞：軸承滾道；剝落；碳化物；應(yīng)力
　　軸承內(nèi)套在工作中往往會由于結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，材料質(zhì)量差、性能低，工作表面的缺陷、沖擊、振動、安裝不當(dāng)和潤滑不良等原因，造成軸承早期失效。有關(guān)資料[1]表明軸承材料問題和使用不當(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)的滾動和滑動作用下，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)會產(chǎn)生表層變形和表面裂紋，超過一定循環(huán)次數(shù)后，表面Z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。Ø300mm 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)的滾動和滑動作用下，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較大困難，為此，筆者采取綜合分析方法，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試分析
　　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。

（a）軸承內(nèi)套滾道撕裂剝落的宏觀形貌；　（b）軸承內(nèi)套滾道剝落小顆粒形貌。
圖1 軸承內(nèi)套滾道剝離形貌

圖2 掃描電鏡軸承內(nèi)套滾道的碳化物組織
　　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，如圖2（a）、（b）、（c）、（d）所示；碳化物組織顆粒邊緣的微裂紋形貌，如圖2（e）、（f）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；軸承內(nèi)套滾道熱處理工藝為：845℃淬火、油冷，200℃回火。
　　3）在原始軸承內(nèi)套滾道上取樣，經(jīng)過酒精清洗后，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（a）、（b）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面上，在規(guī)則的往復(fù)推壓時，由相對面上的尖刃，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泥地上的壓痕十分相似，因此成為輪胎壓痕，如圖3（c）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（d）所示。

圖3 軸承內(nèi)套滾道的剝落裂紋形貌
　　4）對經(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)行回火時碳化物不能充分分解，并其中任意一個碳化物進(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。

圖4 軸承內(nèi)套滾道的碳化物能譜分析
　　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。試驗(yàn)證實(shí)，疲勞磨損剝落是由4個連續(xù)過程形成。
　　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，裂紋在近乎與表面平行的方向上擴(kuò)展。
　　4）當(dāng)裂紋擴(kuò)展到表面時便形成薄片剝離層而Z終剝離下來；Z終軸承內(nèi)套滾道發(fā)生早期失效分析。
　　GCr15軸套中一次碳化物是產(chǎn)生疲勞磨損斷裂的根源，掃描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，其來源于GCr15鋼材的冶煉和連鑄或模鑄過程；軸承鋼因化學(xué)成分的高碳、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%左右的Cr，在凝固過程中遵循相律和選分結(jié)晶的自然規(guī)律，鋼液Z終凝固時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Z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，而且由于液析碳化物和基體的熱膨脹系數(shù)不同，在壓力加工過程中或零件熱處理時，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)行能譜分析測試，表明碳化物中強(qiáng)碳化物形成元素Cr、Mn元素含量過高，從而表明軸承內(nèi)套存在成分偏析現(xiàn)象，在隨后的熱處理過程中改變相圖C曲線位置，使組織相變不能同時發(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Cr、Mn元素含量過高區(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，脆性很大。在反復(fù)的滾動、滑動、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，超過一定循環(huán)次數(shù)后，微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展到軸套表面，Z終軸套表面現(xiàn)剝離碎片及產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致軸套早期失效。
　　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，連接在一起，造成E2330軸承內(nèi)套滾道剝落失效。
　　3　改進(jìn)措施
　　1）E2330軸承內(nèi)套原材料GCr15在生產(chǎn)上，首先應(yīng)從冶煉澆鑄工藝著手，盡Z大可能降低成分偏析程度，控制GCr15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，延長加熱時間，是消除液析碳化物的有效途徑之一。
　　2）在E2330軸承內(nèi)套熱處理工藝上，加熱要充分，爐溫要均勻，合理提高奧氏體化熱處理溫度、延長奧氏體化時間、適當(dāng)提高相變冷卻速度；從而達(dá)到成分?jǐn)U散均勻，抑制大塊碳化物析出、避免熱處理相變時組織應(yīng)力產(chǎn)生，是防止E2330軸承內(nèi)套滾道剝落早期失效的重要途徑。
　　4　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。
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1]雷建中.國內(nèi)外軸承失效分析[C]第九屆南通——洛陽暨華東軸承熱處理技術(shù)交流會論文集.南通;2007.
來源：《物理測試》第30卷第6期 2012年11月