SW803146輪轂單元軸承斷裂失效分析

梅亞莉 ，王明舟，吉智軍

(1洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039 ；2 浙江五州新春集團有限公司，浙江 新昌 312500)

失效樣品為1套轎車左后輪輪轂軸承單元，型號為SW803146，裝車行駛總里程13 248 km后發(fā)生外圈斷裂。斷裂的外圈加工工藝為：Φ60 mm普通65Mn鋼鍛造、退火、粗車、外滾道表面區(qū)域感應(yīng)淬火、精車鉆孔、磨加工。

1 失效軸承的宏觀形貌

斷裂失效的半個軸承形貌如圖1所示。軸承外圈從凸緣R角處斷開，其余軸承零件均完好。對外圈斷口宏觀觀察，裂紋源區(qū)在圖2所示切割面附近的內(nèi)徑面上，斷口顏色暗黃，較平展；裂紋沿順時針且由內(nèi)徑向外徑方向擴展，擴展區(qū)斷口顏色略暗，相對不平；快速斷裂區(qū)為新鮮斷口(圖2中下部)，可明顯觀察到硬化區(qū)與未硬化區(qū)，感應(yīng)淬火硬化層斷口為細瓷狀。

圖1 斷裂的半個軸承宏觀形貌

圖2 宏觀斷口形貌

2 化學(xué)成分

采用直讀光譜儀對外圈化學(xué)成分進行測定，結(jié)果見表1，符合GB/T 1222—2007《彈簧鋼》標準的規(guī)定。

表1 外圈化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)) %

3 硬度檢測

采用維氏硬度計(載荷為1 kg)，分別按照GB/T 4340—2009《金屬材料 維氏硬度試驗》和GB/T 5617—2005《鋼的感應(yīng)淬火或火焰淬火有效硬化層深度的測定》對輪轂外圈感應(yīng)淬火滾道面硬度及硬化層深度進行檢測,檢測結(jié)果見表2。感應(yīng)淬火技術(shù)要求為：滾道面表面硬度60～64 HRC，心部硬度180～235 HB，硬化層深度為1.5～3.0 mm。由表2可知，滾道面表面硬度經(jīng)換算相當(dāng)于62.0 HRC，心部硬度相當(dāng)于191 HB，感應(yīng)淬火硬化層深度約為2.1 mm，均符合標準要求。

表2 外圈硬度及硬化層深度測量結(jié)果

4 金相及掃描電鏡檢查

將外圈沿圖2所示取樣部位縱向切開制備成金相試樣，感應(yīng)淬、回火組織按照JB/T 9204—2008《鋼件感應(yīng)淬火金相檢驗》標準檢驗，評定結(jié)果為6～7級，符合相關(guān)標準規(guī)定。

金相檢驗發(fā)現(xiàn)在外圈靠近斷裂面附近的內(nèi)徑面有許多孔洞，呈細條狀(與斷裂面大致平行)及不規(guī)則小塊狀，并有裂紋從內(nèi)徑表面沿孔洞缺陷橫向開裂；靠近斷裂面的滾道面附近也有小點狀孔洞。

采用掃描電鏡進一步觀察孔洞形貌，變倍掃描電鏡照片如圖3和圖4所示，裂紋從R角的內(nèi)徑表面向外徑面方向開裂，并沿孔洞形成較長裂紋(圖3)；滾道面附近也分布著小點狀孔洞(圖4a)，對孔洞放大1 500倍觀察，孔洞較深，孔洞邊緣的表面呈圓滑熔融狀態(tài)(圖4b)。

5 熱酸洗檢驗

將試樣按照JB/T 1255—2001《高碳鉻軸承鋼 滾動軸承零件熱處理技術(shù)條件》進行熱酸洗，熱酸洗后試樣的宏觀照片如圖5所示，靠近斷裂面的內(nèi)徑面及滾道面區(qū)域疏松較嚴重，斷裂面位于滾道面硬化區(qū)以外的未硬化區(qū)域。

圖3 靠近斷裂面的內(nèi)徑面附近裂紋及孔洞掃描電鏡照片

圖4 滾道面附近孔洞掃描電鏡照片

圖5 試樣熱酸洗后的宏觀照片

6 掃描電鏡斷口分析

對裂紋源區(qū)的斷口掃描電鏡觀察，裂紋源區(qū)的微裂紋從內(nèi)徑面向外徑方向擴展(圖6)，并沿順時針方向發(fā)展(圖7)，快速斷裂區(qū)可明顯觀察到硬化區(qū)與未硬化區(qū)(圖8)，硬化區(qū)呈現(xiàn)準解理斷口(圖8a)，未硬化區(qū)為河流花樣狀的解理斷口(圖8b)。

圖6 裂紋源區(qū)斷口掃描電鏡照片

7 失效原因分析

外圈在凸緣R角處開裂，裂紋源區(qū)在未硬化區(qū)域的內(nèi)徑面上，裂紋向外徑面及沿圓周順時針方向逐步擴展，導(dǎo)致外圈斷裂為兩半。感應(yīng)淬火的硬化層斷口為細瓷狀斷口，未發(fā)現(xiàn)鍛造過燒的粗晶斷口。由金相及電鏡觀察結(jié)果可知：在靠近斷裂面的內(nèi)徑面附近有許多條形及不規(guī)則塊狀小孔洞，相鄰的滾道面附近也分布有許多更小的孔洞，這些孔洞缺陷位置相對位于材料中心部位，條形孔洞走向(與斷裂面基本平行)沿外圈鍛造流線方向。在高倍掃描電鏡下觀察，孔洞表面比較圓滑，為高溫熔融狀態(tài)。故這些孔洞缺陷為材料的縮孔殘余。

圖8 快速斷裂區(qū)斷口掃描電鏡照片

綜上所述，在凸緣R角處內(nèi)徑面附近為輪轂軸承外圈原材料的相對心部，原材料孔洞分布于內(nèi)徑表面及表面下一定深度，在缺陷處極易產(chǎn)生微裂紋，在外力不斷地作用下，裂紋向外徑面及沿圓周方向擴展，最終導(dǎo)致整個輪轂軸承外圈斷裂失效。

8 結(jié)論

該失效樣品輪轂軸承因外圈凸緣斷裂而失效，外圈原材料縮孔殘余缺陷是造成外圈斷裂失效的主要原因。