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叉車軸承CW309外圈裂紋分析

2013-09-26

李莉萍　錢曉光
（東莞市TR軸承有限公司，廣東東莞　523009）
　　摘　要：采用理化分析的方法，對(duì)叉車軸承CW309外圈產(chǎn)生裂紋的原因進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，磨加工時(shí)因磨削燒傷產(chǎn)生的磨削裂紋和材料缺陷（顯微孔隙）是引起CW309外圈開裂的主要原因。
　　關(guān)鍵詞：滾動(dòng)軸承；叉車軸承；外圈；磨削裂紋；顯微孔隙
　　叉車軸承CW309在裝配過程中發(fā)現(xiàn)外圈有裂紋現(xiàn)象，其中有一件外圈已經(jīng)斷裂。為了查清外圈裂紋的性質(zhì)和產(chǎn)生原因，對(duì)合套CW309軸承的外圈（編號(hào)為1#）和一塊CW309斷裂外圈試樣（編號(hào)為2#）進(jìn)行理化檢驗(yàn)分析，以查找該批軸承外圈產(chǎn)生裂紋的原因。
　　1　宏觀檢查與分析
　　樣品宏觀形貌見圖1。1#外圈上有一條沿軸向的裂紋，該裂紋貫穿外徑表面和端面，并從兩端面向外內(nèi)徑和滾道面延伸。
　　2#斷裂外圈的斷裂方向沿軸向，斷口中部晶粒較為粗大（圖2）。
　　2　理化檢驗(yàn)
　　2.1 化學(xué)成分分析
　　采用Spector M9型直讀光譜儀對(duì)軸承外圈的化學(xué)成分進(jìn)行分析，并根據(jù)GB/T 18254-2002標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定，其主要元素分析結(jié)果見表1。
　　化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果表明，該批軸承外圈是由GCrl5鋼制造而成，其主要元素符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。
　　2.2 硬度檢驗(yàn)
　　在洛氏硬度計(jì)上對(duì)CW309軸承外圈進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，并按照J(rèn)B/T 1255-2001標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果見表2。由測(cè)試結(jié)果可知，1#外圈的裂紋兩側(cè)硬度值偏低且不均勻，2#外圈硬度值也偏低，均不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
　　2.3 冷酸洗檢驗(yàn)
　　依據(jù)JB/T 1255-2001標(biāo)準(zhǔn)中的冷酸洗檢驗(yàn)規(guī)程對(duì)CW309軸承外圈進(jìn)行冷酸洗檢驗(yàn)。經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，1#和2#外圈的端面均存在不同程度的燒傷現(xiàn)象（圖3）；另外，兩外圈的外徑表面也都存在沿圓周方向的砂輪花狀燒傷現(xiàn)象（圖4）。
　　2.4 熱酸洗檢驗(yàn)
　　依據(jù)JB/T 1255-2001標(biāo)準(zhǔn)中的熱酸洗檢驗(yàn)規(guī)程對(duì)兩個(gè)CW309軸承外圈進(jìn)行熱酸洗檢驗(yàn)。檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)1#外圈的裂紋已貫穿整個(gè)壁厚（圖5）；套圈的一側(cè)端面裂紋呈現(xiàn)為S形和Y形（圖6），其他區(qū)域均未發(fā)現(xiàn)裂紋，且材料致密。2#外圈材料的致密性較差并存在嚴(yán)重的顯微孔隙（圖7）。
　　2.5 金相檢驗(yàn)
　　2.5.1 原材料及淬回火組織
　　從送檢的兩件外圈上各切取金相試樣，經(jīng)磨制后放置在顯微鏡下對(duì)其原材料及淬回火組織進(jìn)行檢驗(yàn)，評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)分別采用GB/T 18254-2002和JB/T 1255-2001，腐蝕劑采用4％硝酸酒精，檢驗(yàn)結(jié)果見表3。檢驗(yàn)結(jié)果表明，CW309外圈的原材料質(zhì)量及淬回火組織均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。
　　2.5.2 顯微觀察
　?。?）1#外圈。在1#外圈裂紋處取樣，經(jīng)磨制腐蝕后放置在金相顯微鏡下觀察確定，裂紋兩側(cè)無脫貧碳現(xiàn)象，但發(fā)現(xiàn)兩端面均存在不同程度的磨削燒傷變質(zhì)層，其中一側(cè)端面局部還存在二次淬火燒傷變質(zhì)層（圖8），變質(zhì)層Z深處約0.3 mm。
　?。?）2#外圈。將2#外圈沿縱向切割取樣，在磨制過程中發(fā)現(xiàn)縱截面中部存在不同程度的顯微孔隙（圖9）。依據(jù)GB/T 6394-2002標(biāo)準(zhǔn)對(duì)2#圈進(jìn)行晶粒度評(píng)定，發(fā)現(xiàn)孔隙周圍的晶粒度與其他區(qū)域的晶粒度無明顯區(qū)別，平均晶粒度在8級(jí)左右。
　　2.6 掃描電鏡分析
　　采用JSM-5610LV掃描電子顯微鏡對(duì)2#外圈的斷口和磨面進(jìn)行觀察和分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，外圈的斷口粗糙處晶粒粗大，呈冰糖狀（圖10）。磨面上孔隙呈不規(guī)則尖角狀（圖11），孔隙內(nèi)的形貌特征與斷口相似。由此可以確定，材料的顯微孔隙是由于局部過燒引起的。在斷口及磨面孔隙內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有非金屬夾雜物及其他異?，F(xiàn)象。
　　3　結(jié)果分析
　　3.1 磨削裂紋
　　套圈在磨削時(shí)，如果工藝參數(shù)選擇不當(dāng)或操作不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致工作表面溫度達(dá)到150-200℃，此時(shí)表面因馬氏體分解，體積縮小，而中心馬氏體不收縮，致使表層承受較大拉應(yīng)力而開裂，此種情況下，一般裂紋與磨削方向垂直，裂紋之間相互平行[1]。有時(shí)零件表面瞬時(shí)溫度會(huì)達(dá)到820-840℃，其溫升速度高達(dá)600℃/s，如果冷卻不充分，則由于磨削形成的熱量足以使表面薄層重新奧氏體化，會(huì)發(fā)生再次淬火而形成淬火馬氏體。此外，磨削形成的熱量使零件表面溫度升高極快，由此而形成的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力也會(huì)導(dǎo)致磨削表面出現(xiàn)磨削裂紋[2]。
　　當(dāng)磨削熱所造成的溫度低于軸承鋼的相變點(diǎn)Ac1時(shí)（軸承鋼的相變點(diǎn)為745℃），這時(shí)表層中的馬氏體與殘余奧氏體則發(fā)生分解，轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)點(diǎn)狀屈氏體或索氏體組織，為典型的高溫回火組織；該組織抗酸的浸蝕能力較差，經(jīng)冷酸洗后呈暗黑色，并且導(dǎo)致軸承零件的硬度偏低。如果磨削熱的溫度高于相變點(diǎn)Ac1時(shí)，則軸承零件的表層組織由馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，然后由于冷卻液的作用，被二次淬火，形成淬火馬氏體和殘余奧氏體。
　　二次淬火形成的淬火馬氏體未經(jīng)低溫回火，不易受酸的浸蝕，所以在冷酸洗后該處無明顯變色，而與其相鄰的區(qū)域，則呈現(xiàn)為暗黑色的高溫回火燒傷，包圍著灰白色的二次淬火區(qū)域。磨削燒傷處的垂直剖面組織，表面灰白色層為二次淬火組織，該層下面的暗黑色組織為高溫回火組織[2]。該CW309外圈的局部表面就存在二次淬火燒傷變質(zhì)層+高溫回火燒傷變質(zhì)層組織。
　　檢驗(yàn)硬度時(shí)，發(fā)現(xiàn)外圈端面裂紋周圍區(qū)域硬度低且不均勻；腐蝕后發(fā)現(xiàn)外圈端面存在不規(guī)則的片狀燒傷現(xiàn)象；顯微觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)此區(qū)端面上存在不同程度的燒傷變質(zhì)層。熱酸洗后該端面裂紋區(qū)域存在S形和Y形裂紋，此裂紋是典型的磨削裂紋。通常情況下，磨削裂紋深度較淺，但當(dāng)受到外力作用時(shí)易快速擴(kuò)展而發(fā)生斷裂甚至破碎。送檢的1#外圈發(fā)生開裂就是裝配過程中磨削裂紋擴(kuò)展的結(jié)果。
　　3.2 軸承鋼中存在顯微孔隙
　　如果在軸承鋼中有顯微孔隙存在，將大大降低晶粒間的結(jié)合力，這不僅嚴(yán)重影響軸承零件的力學(xué)性能，熱處理淬火時(shí)容易產(chǎn)生淬火裂紋，而且在顯微孔隙缺陷處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，使其成為疲勞裂紋源，降低軸承的使用性能和壽命[2]。由掃描電鏡檢驗(yàn)結(jié)果分析可知，造成2#外圈斷裂的原因是斷口晶粒粗大（組織過燒）而形成的顯微孔隙所致。就高碳鉻軸承鋼而言，從冶煉到加工過程中多種因素可導(dǎo)致形成顯微孔隙，主要原因有：一是加熱溫度過高，導(dǎo)致鋼坯中心部位的某些低熔點(diǎn)合金相熔融或半熔融。二是在鍛造或材料軋制過程中過燒；三是由某種原因形成的材料撕裂；四是材料成分嚴(yán)重偏析而造成的局部相對(duì)過燒心[2]。
　　由于套圈成品經(jīng)過了多次熱加工，顯微孔隙周圍的晶粒度所表征的僅是外圈鍛造退火及淬回火后的晶粒大小，反映的是熱處理工藝的恰當(dāng)與否，而不能確切判定造成材料過燒的根本原因。
　　4　結(jié)論
　　CW309叉車軸承的1#外圈端面上的裂紋為磨削裂紋，磨削工藝不當(dāng)是導(dǎo)致產(chǎn)品產(chǎn)生磨削裂紋的主要原因；2#外圈內(nèi)存在材料缺陷-顯微孔隙，這也是導(dǎo)致其開裂的主要原因。
　　參考文獻(xiàn)
　　[1]王廣生.金屬熱處理缺陷分析及案例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1997.
　　[2]雷建中,楊曉蔚.滾動(dòng)軸承零件廢品分析及圖譜[M].洛陽:洛陽軸承研究所,2001.
來源：《軸承》2009年10期