G20Cr2Ni4A鋼滲碳圓柱滾子表面剝落原因

2013-12-11 10:37:46鄭少華曹云忠

機械工程材料 2013年9期

鄭少華，曹云忠，楊川，李勇

（西南交通大學材料科學與工程學院，成都610031）

0 引言

某廠生產的圓柱滾子軸承中的滾子采用滲碳處理，某批軸承在裝配使用兩星期后，發現圓柱滾子表面產生了早期剝落現象。該圓柱滾子材料為G20Cr2Ni4A鋼，其加工工藝為鍛軋→正火→高溫回火→車削加工→滲碳（溫度930～950 ℃，時間15～20h）→油淬→高溫回火（先在600～620 ℃保溫10h，然后在650℃保溫12h）→二次淬火（油淬，淬火溫度約為800℃，在油中冷卻5～15min，至100～130℃時出油空冷）→低溫回火（160 ℃×12h）→粗磨→附加回火（140℃回火6～8h）→精磨。

為了找出圓柱滾子早期剝落的原因，作者對其進行了失效分析，并提出了改進措施。

1 理化檢驗及結果

1.1 宏觀形貌

由圖1可見，圓柱滾子表面有平行分布的劃痕貫穿整個剝落區，滾子表面工作部位出現了大面積的小針狀和片狀剝落區，此剝落區面積約占圓柱滾子工作面面積的50%左右，剝落區兩側同時伴有銹蝕及麻點出現。

圖1 圓柱滾子的宏觀剝落形貌Fig.1 Macro spalling image of cylindrical roller

1.2 化學成分

由于圓柱滾子表面進行了滲碳處理，所以采用線切割的方法從圓柱滾子表面切下圓弧狀試樣，并采用NGB4-DXS-10AC 型能譜儀（EDS）測定圓弧狀試樣平面處的化學成分，此平面距圓弧表面約0.21mm，如圖2所示，箭頭所示方向為X 射線的掃描方向。其化學成分（質量分數／%）為0.520C，0.307Si，0.479Mn，0.007P，1.489Cr，3.197Ni，0.039Cu，＜0.035S。

根據GB／T 18524-2002，并結合熱處理規范可知，滲碳圓柱滾子材料中各元素含量均屬正常，并無嚴重超標或者低于標準。通常，成品滾子表面碳的質量分數控制在0.8%～1.05%較為合適，碳含量過低將得不到要求的硬度和正常的組織，過高則又易形成粗大碳化物，并易在冷卻時析出網狀碳化物［1］。滲碳過程中，由表層到心部會形成由高到低變化的碳濃度梯度。進行成分測定的表面距試樣外表面的距離為0.21mm，故而工件外表面的碳質量分數至少應在0.5%以上。其次，根據G20Cr2Ni4A鋼滾子的加工路線可知，采用增大加工余量的辦法，經磨削加工后，不僅可以消除因表層碳濃度過高而形成的粗大碳化物，而且也可以使表面碳含量達到成品的要求。因此，可以初步排除表面脫碳這個影響因素，故而認為表面剝落現象與脫碳沒有太大關系。

1.3 殘余奧氏體含量

利用線切割的方法取下載有剝落區域的片狀試樣，采用7602EA ALMELO 型X 射線衍射儀（XRD）分析殘余奧氏體的含量，掃描方向如圖2箭頭所示，縱向為垂直于圓柱滾子軸線的方向，沿小平面中線向外圓掃描；碳化物體積分數按2%計算。由圖3可知，較矮的峰對應殘余奧氏體，經計算知殘余奧氏體含量高達11.94%（體積分數，下同），由于是次表層（滾子外表面已被打磨掉），結合碳濃度梯度可知，最外層的殘余奧氏體含量應該在11.94%以上。

圖3 滾子表面的XRD譜Fig.3 XRD pattern of cylindrical roller surface

1.4 顯微組織

在沿垂直滾子軸線的橫截面方向的表層、次表層以及心部取樣，并進行嵌鑲后，采用OLYMPUS型數碼圖像光學顯微鏡觀察顯微組織，腐蝕液為體積分數為4%的硝酸酒精溶液。

結合圖3和圖4可知，二次淬火后，表面滲碳層的顯微組織中含有較少的回火隱晶馬氏體和大量殘余奧氏體，在光學顯微鏡下可觀察到表層晶粒呈亮白色，并發生了明顯的塑性變形。此外，由于高溫回火后會得到細小均勻的碳化物，加之二次淬火溫度較低以及冷卻速率較慢，從而導致經隨后的油冷處理后，得到了細小均勻分布的粒狀珠光體，同時從晶界上也析出了珠光體。

圖4 圓柱滾子表層的顯微組織Fig.4 Microstructure of cylindrical roller surface：（a）at low magnification and（b）at high magnification

由圖5可見，次表層存在較少量的針狀馬氏體和較多的殘余奧氏體，基體中較多的黑色組織為珠光體。可見，工件表層的確存在著大量殘余奧氏體，從晶界處析出的較多珠光體可以斷定，圓柱滾子表面剝落應與二次淬火后產生的珠光體有關。

圖5 圓柱滾子次表層的顯微組織Fig.5 Microstructure of cylindrical roller subsurface：（a）at low magnification and（b）at high magnification

圖6 圓柱滾子心部的顯微組織Fig.6 Microstructure of cylindrical roller core：（a）at low magnification and（b）at high magnification

從圖6可以明顯看到，由于滾子心部的碳含量較低，因此二次淬火后得到了板條馬氏體，同時由于殘余奧氏體總是與馬氏體相伴而生，因此馬氏體片之間還會存在少量殘余奧氏體。故而心部的組織含有低碳回火馬氏體和少量殘余奧氏體。由于心部是低碳的，結合對圖4的分析可知，油冷后晶界處的黑色組織也應該是珠光體，另外還應有少量先共析鐵素體存在。圓柱滾子的這種組織特征使得其心部硬度不至于過低，并保持有一定的韌性。

1.5 顯微硬度

沿垂直滾子軸線的橫截面方向采用線切割的方法取樣，并對其表層到心部進行顯微硬度測定。由圖7可見，滲碳層的厚度約為2.3mm，最外層硬度最低，次表層硬度最高。另外，硬度曲線出現了上下波動的現象，波動幅值在50HV0.1左右，這是由于測硬度時沒有避過黑色組織而引起的。

圖7 線切割試樣的顯微硬度曲線Fig.7 Microhardness curve of line cutting sample

2 表面剝落原因分析

宏觀分析表明，圓柱滾子的剝落形式是表面出現了大量的剝落坑。根據剝落形貌與特征可以斷定，圓柱滾子表面發生了接觸疲勞破壞。接觸疲勞的宏觀典型特征是在接觸面上出現了許多小針狀或痘狀凹坑，并有疲勞裂紋發展痕跡［2］。疲勞剝落可分為裂紋起源和裂紋擴展兩個階段。在循環交變接觸應力作用下，首先在材料的薄弱部位（如大顆粒碳化物或夾雜物與基體的交界處）形成初生顯微裂紋，即疲勞源，這是接觸疲勞的疲勞源或裂紋生核階段，進而微裂紋擴展使局部金屬從接觸表面剝離，從而形成剝落坑。

失效圓柱滾子表面的殘余奧氏體含量近12%，由于殘余奧氏體的強度低、塑性好，因此會降低滾子表面的硬度等力學性能，在正應力和切應力的作用下產生嚴重的塑性變形，從而使產生疲勞剝落的機會大大增加，如此多的殘余奧氏體是引起圓柱滾子早期剝落失效的重要原因之一。鋼中殘余奧氏體含量的多少，對鋼的性能有著重要的影響，當殘余奧氏體含量大于10%時會顯著降低齒輪和滾動軸承的壽命，對于工具鋼，殘余奧氏體含量最好控制在5%以下，否則會顯著降低其壽命［3］。因此可以斷定，次表層及最外層中存在著的大量殘余奧氏體是圓柱滾子表面發生疲勞剝落的一個重要原因。根據G20Cr2Ni4A鋼的化學成分推知，圓柱滾子表面的碳含量已超過了要求值，由于含碳量過高，Ms點降低，從而使得二次淬火后表層組織中的殘余奧氏體增多。

其次，在次表層組織中發現了較多的珠光體沿晶界析出（見圖5），珠光體本身的硬度遠低于回火馬氏體的，在承受交變載荷時，同樣容易引起表層剝落。表層出現了較多的珠光體組織是引起表面剝落的又一重要原因。由于在二次淬火時采用了油冷，所以圓柱滾子表面出現珠光體可能有兩個原因，一是由于淬火油長期使用，其冷卻能力大幅降低，從而導致在淬火過程中珠光體沿界面析出；二是淬火轉移時間（從工件出爐到進入油槽的時間）過長，導致珠光體析出；同時也有可能是由這兩種因素綜合作用引起的。