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大型轴承表面裂纹原因分析
作者:广州依纳  发表时间:2013-03-04  点击:102
  关键词:轴承;裂纹;分析  某冷轧厂冷轧机组进口支承辊轴承,内套圈外径<990mm,内径<900mm,宽度420mm。轴承内套圈与支承辊装配采用热装工艺,在油箱中将轴承内套圈加热到166℃,保温25min,取出后迅速装到支承辊上。热装后,对轴承内套圈表面进行最后的磨削,保证内套圈与支承辊的同心度。  在轴承使用之前,发现多个轴承内套圈外表面有很多细小裂纹。通过对轴承内套圈进行取样分析,探明了裂纹产生的原因,本文介绍分析过程及结果。  1 检验与结果  1.1 裂纹特征  1.1.1 裂纹表面特征  检查多个轴承内套圈外表面,肉眼很难发现裂纹。采用磁粉探伤、着色和荧光显示,在内套圈外表面上发现许多细小裂纹,裂纹位置的分布无规律,在内套圈外表面的边部、中部及整个圆周方向均发现了裂纹。裂纹大多数呈放射状,其中有的呈“人”字形,有的呈“T”形,有的呈“×”形,另外还有少数裂纹呈分散条状。在放射状裂纹密集的区域,裂纹交织成网状。对内套圈外表面进行热酸蚀检查,发现表面裂纹更加明显[图1(a)]。  浅磨内套圈外表面试样(保留磨削加工过程中的磨痕),在金相显微镜下观察,裂纹与磨痕方向呈一定角度或垂直[图1(b)]。进一步磨去试样表面磨痕并抛光,在金相显微镜下观察,发现裂纹由断续分布的线条组成,线条呈弯曲状[图1(c)]。   1.1.2 裂纹截面特征  选取内套圈截面试样进行观察,发现裂纹仅分布于外表层,未出现在内部和内表层。在金相显微镜下观察有裂纹截面试样,裂纹垂直于表面而向内扩展,并从表面至内部由粗到细而逐渐消逝[图2(a)]。在扫描电镜下可观察到裂纹尾端有分叉[图2(b)]。对多条裂纹的深度进行测量的结果见表1。      1.2 化学成分  内套圈化学成分(质量分数,%)分析结果见表2。按照我国渗碳轴承钢的技术要求,除碳外,该内套圈属于G20Cr2Ni4钢(我国G20Cr2Ni4钢的碳含量在0.17~0.23之间)。进口商提供的内套圈成分(%)范围为:C0.10~0.16、Mn0.30~0.50、Cr1.30~1.60、Ni3.25~3.75、Mo低于0.15,该内套圈的化学成分均在进口高提供的成分范围内。  1.3 显微组织检验  选取轴承内套圈截面试样进行酸浸低倍组织检验,没有发现低倍组织缺陷。  对内套圈表面和截面组织进行观察,发现在表层有一层较厚的渗碳层,表明该内套圈经过了渗碳处理。分别选取有裂纹区域和远离裂纹区域的外表面试样,观察表面和截面组织。从截面上看,由表面至心部组织大致可分为4层(表3)。裂纹内无FeO,附近无脱碳特征。  在有裂纹区域和远离裂纹区域的外表层,均观察到一层“黑色”组织,但两者有明显的区别:①远离裂纹区域的表层组织以回火马氏体居多,屈氏体少数,而有裂纹区域的表层组织以屈氏体居多,回火马氏体为少数;②远离裂纹区域的表层“黑色”组织明显比有裂纹区域的薄(图3),表层"黑色"组织的厚度测量结果见表4。  外表面碳化物级别为:粗大碳化物多数为1级,少数为2级;网状碳化物为1级。夹杂物级别为A1.5、D0.5,通过能谱分析,表明夹杂物主要为MnS和少量Al2O3。  利用X射线衍射仪测量内套圈外表面和心部的残余奥氏体量,结果为:外表面8.87%,心部3.6%。      1.4 表面残余应力  利用X射线应力仪,选择外表面有裂纹和没有裂纹的同一批轴承内套圈,分别测量表面的残余应力,结果表明均为压应力。  2 分析讨论  2.1 裂纹产生阶段  根据裂纹表面和截面的特征分析,内套圈外表面上的裂纹有4个规律性特征:①裂纹随机分布在外表面的任意部位;②裂纹大多数呈放射状,少数呈分散条状,裂纹与磨痕方向呈一定角度或垂直;③裂纹在截面上的深度较浅,在0.2mm以内;④裂纹垂直于表面向内扩展,并由粗到细逐渐消逝,裂纹末端有分叉。由这些规律可以判断该裂纹属于磨削裂纹,即在磨削过程中产生的裂纹。  2.2 裂纹产生原因  2.2.1 磨削工艺因素  该轴承属于大型零件,一般需经渗碳、淬火、高温回火后,再经二次淬火和回火。经过处理后表层组织一般为细小马氏体、一定量碳化物和适量残余奥氏体。通过金相组织观察,发现在出现裂纹的轴承内套圈中,第2层组织符合这种组织特征,但在表层出现了屈氏体。这层屈氏体属于典型的磨削高温回火烧伤组织,即在磨削过程中,由于磨削工艺不当(如磨削过烈、冷却不良等),引起轴承内套圈外表面局部受热(温度在Ac1以下),马氏体继续分解转变为屈氏体。在裂纹位置和远离裂纹位置的大量试样均发现了表层屈氏体,说明该内套圈在磨削过程中有高温回火烧伤现象。  大量实验和理论分析认为[1],由于磨削过程中高温回火烧伤产生的屈氏体组织,会降低材料表面的断裂强度,使表面承受的应力超过材料的断裂强度,从而产生裂纹。高温回火烧伤是否产生磨削裂纹与烧伤程度有关系,如果烧伤轻微,表层屈氏体组织较少,裂纹还不足以产生,反之如果烧伤严重,表层屈氏体组织较多,材料表面断裂强度大大降低,表面拉应力超过承载极限,裂纹将产生。在本文轴承内套圈中,由高温回火烧伤产生的屈氏体组织,在表层分布不均匀,裂纹附近比远离裂纹位置的屈氏体多,说明在烧伤较严重、屈氏体较多的区域材料表面断裂强度降低较多,表面拉应力超过承载极限,从而产生了裂纹。而在烧伤轻微、屈氏体较少的区域,材料表面断裂强度降低较少,表面拉应力还没有超过承载极限,裂纹无法产生。  2.2.2 材料因素  对于大型渗碳轴承零件,渗层的成分与组织及其在磨削中的变化决定了断裂强度的高低,一般需对马氏体、碳化物、残余奥氏体进行控制:①马氏体组织必须细小,因为粗大马氏体的脆性较大,甚至可能存在许多显微裂纹,这种组织易于产生磨削裂纹;②严格控制碳化物级别,因为碳化物是脆性相,其断裂抗力低、导热能力差,控制碳化物级别可大大减小磨裂几率;③残余奥氏体要少,残余奥氏体的导热性只有马氏体的一半,残余奥氏体量越多,磨削过程中的热应力越大,磨裂倾向也增加。另外,渗碳轴承钢技术条件中还对低倍组织、夹杂物等进行了规定。  此次分析的轴承内套圈,材料检验可以归纳为:①酸浸低倍检验没有发现内套圈有低倍组织缺陷;②化学成分符合大型零件渗碳轴承钢的要求;③外表面的表层和次表层均为细小马氏体,马氏体组织致密,没有发现内部显微裂纹,马氏体组织符合大型零件渗碳轴承钢的要求;④碳化物和夹杂物级别在渗碳轴承钢控制范围内;⑤表面残余奥氏体较少。这些表明磨削前的材料和热处理工艺不是导致裂纹产生的原因。  因此,此次轴承内套圈产生外表面裂纹的原因是磨削工艺不当。产生裂纹的过程大致可描述为:磨削过程中由于磨削工艺不当(如磨削过烈、冷却不良等),产生摩擦热,引起轴承内套圈外表面局部受热,表面组织产生高温回火烧伤,马氏体分解转变为屈氏体;表层屈氏体组织使材料表面断裂强度降低,尤其在表层屈氏体组织较多的区域,材料表面断裂强度降低较多,在磨削应力和组织应力的作用下,材料表面拉应力超过承载极限,产生了磨削裂纹。
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