軸承鋼球的失效分析

■梁華，劉傳銘，王浩

鋼球是球軸承中承載載荷的滾動體，是球軸承中最重要的零件之一，其加工過程相當復雜，從冷鐓（或熱軋、鍛）球坯到最后的清洗包裝，涉及到諸多的加工工序，而每道加工工序都會對球的內在質量和表面質量產生較大的影響。鋼球的制造質量會直接影響到軸承的使用壽命，因而是極其重要的。因鋼球的材料缺陷引起滾動疲勞并導致軸承失效的案例雖然屢見不鮮，但因材料冶金缺陷導致鋼球表面剝層—脫殼現象則比較罕見。

某公司送檢一粒規格為φ6.747mm的失效鋼球，材料為GCr15。據介紹，該鋼球在進行壽命試驗時表層發生剝層現象，剝落部分呈現為殼體狀。鋼球壽命試驗分3個階段進行：第一階段為72h；第二階段為24h；第三階段為80h。前兩個階段試驗均未發現異常，第三個階段試驗至約20h時軸承失效。針對該特殊失效形式，筆者對鋼球表面發生剝層的原因進行了詳細分析。

1. 宏觀形貌觀察

送檢鋼球表面光亮、色澤無異常；剝層呈現為殼體狀，局部有缺損；內壁較粗糙，呈現為灰黑色；脫殼后的鋼球表面光亮、完整，呈橢圓狀，局部有凸起，長、短軸直徑分別為6.2mm和5.5mm，其形貌見圖1和圖2。

2. 微觀形貌觀察與分析

將鋼球剝落殼體和鋼球采用超聲波清洗烘干后放置在日本產JSM6380LV掃描電子顯微鏡中進行變倍觀察，發現如下現象。

（1）剝落殼體內壁粗糙且不平整，無擠壓、磨損痕跡，剝落殼體內壁的高、低倍形貌見圖3。

（2）脫殼后鋼球表面凸起部分附著在鋼球表面，色澤光亮，但邊緣處有輕微的剝落痕跡，見圖4和圖5。

圖1 送檢剝層鋼球宏觀形貌

圖2 表面剝層后的鋼球形貌

圖3 剝落殼體內壁

3. 常規項目檢驗

（1）剝落殼體的硬度 將鋼球剝落殼體鑲嵌后放置在顯微硬度計上測量硬度，載荷為9.8 N，測試結果自表面至內壁為6 4.7 H R C、62.9 H R C、61.7HRC、62.0HRC（標準要求61～66HRC）。鋼球剝落殼體的硬度符合JB/T1255—2001標準要求。

（2）金相檢驗 將送檢鋼球剝落殼體鑲嵌磨制后放置在顯微鏡下觀察發現：鋼球剝落殼體厚度為0.13~0.70mm，內壁存在最大深度為0.063mm的白色異常組織層，組織內晶界清晰可見，其余部分組織無異常；兩部分材料連為一體，金相組織無過渡區（見圖6）。

將脫殼后鋼球的凸起部分解剖腐蝕后確定凸起部分與鋼球母體有間隙，為附著部分，兩部分之間金相組織相同（見圖7）。另外，還發現脫殼后鋼球表面多處有圓弧狀燒傷，其金相組織為二次淬火層+高溫回火層（見圖8）。

將鋼球剝落殼體剖面采用4%硝酸酒精溶液浸蝕后按照JB/T1255—2001標準評定其淬回火組織為3級，網狀碳化物為1級，符合標準要求。

（3）能譜分析 為了確定鋼球剝落殼體內壁異常白色組織層的成分，采用能譜儀對其微區成分和正常組織進行對比分析，結果表明：帶有晶界白色組織層的成分主要為Fe、O、Cr，正常組織區域成分主要為Fe、Cr，兩部分材料微區成分的能譜曲線分別見圖9a、圖9b。由此確定白色組織層為GCr15的全脫碳組織層。

4. 失效原因分析與討論

鋼球作為首先失效件，導致其失效的原因一方面可能是運轉條件等外來因素造成的，但相當一部分是由于鋼球自身因素導致的，如原材料缺陷或制造缺陷等，而原材料因素又主要分為表面缺陷、低倍組織缺陷和顯微組織缺陷三方面的影響。

根據掃描電鏡、硬度、金相及能譜分析的結果認為：①送檢鋼球的硬度和淬、回火組織均符合相關標準要求。②鋼球的失效模式是疲勞，其內部存在一層最大深度為0.063mm的全脫碳組織，破壞了材料的連續性，嚴重影響了鋼球的性能，這也是造成鋼球在運轉過程中發生剝層、脫殼的主要原因。③鋼球內部的全脫碳組織層屬于翻皮冶金缺陷，一般是指底鑄鋼錠在澆注過程中，鋼錠模內鋼流沖破鋼液表面的薄膜并將其卷入鋼錠中而形成。④剝層后鋼球表面的凸起及燒傷是鋼球剝層后繼續運轉形成的。

圖4 剝層剖面形貌

圖 5

圖6 鋼球剝落殼體金相組織

圖7 脫殼后鋼球凸起部分的剖面組織形貌

圖8 鋼球表面局部燒傷形貌

圖9 鋼球材料能譜曲線