加工過程中軸承套圈斷裂失效分析

■劉恒三，王淼輝，葛學(xué)元，羅環(huán)山

近年，我國軸承行業(yè)的技術(shù)發(fā)展水平有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，且在軸承壽命和可靠性等方面的技術(shù)研究有很大的提高。但是國產(chǎn)軸承與進(jìn)口軸承的差距還是比較大的，主要反映在精度、噪聲、轉(zhuǎn)速、可靠性等方面，進(jìn)口軸承生產(chǎn)用原材料和材料的熱處理、加工精度等都比國產(chǎn)軸承要高。

某軸承公司采用S K F3鋼生產(chǎn)高精度滾動(dòng)軸承，加工路線為棒料→鍛造（下料→鐓粗→擠壓→沖孔→輾擴(kuò)）→球化退火→車加工（粗車內(nèi)徑、平面→粗車外徑、平面→軟磨外徑→精車平面→粗車溝道→精車溝道→倒角）→淬火→硬度、金相檢驗(yàn)→冷處理、回火→磨加工（磨雙端面→磨外徑→磨溝道→超精溝道）→裝配→成品。

超精加工過程中只有極少部分軸承套圈斷裂，但是多套軸承的套圈出現(xiàn)了裂紋，并且在放置過程中又陸續(xù)有更多的軸承套圈出現(xiàn)了裂紋。本文對(duì)軸承套圈中出現(xiàn)的裂紋及斷裂失效件進(jìn)行了系統(tǒng)分析，以確定其失效原因。

1. 試驗(yàn)步驟

本文所研究的樣品主要化學(xué)成分見附表。

斷裂失效件如圖1所示，首先將斷裂失效樣品的斷裂面整個(gè)切下以觀察斷裂形貌特征。而其他有裂紋的套圈無損檢測(cè)后在相應(yīng)的裂紋產(chǎn)生的位置用記號(hào)筆作了標(biāo)記，沿著作標(biāo)記的位置取樣，盡量保證將裂紋包括在內(nèi)并且恰好在表面顯現(xiàn)。

宏觀斷口、裂紋及周邊組織主要使用掃描電鏡（SEM）和場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（FESEM）進(jìn)行觀察，宏觀斷口試樣用丙酮進(jìn)行超聲清洗，裂紋試樣先使用400#～2000#砂紙進(jìn)行打磨，然后進(jìn)行機(jī)械拋光，最后使用4%硝酸酒精溶液浸蝕。使用HRS—150D型數(shù)顯洛氏硬度計(jì)檢測(cè)硬度。

圖1 軸承外圈斷裂宏觀形貌

圖2 軸承套圈的斷口形貌

樣本化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2. 結(jié)果及分析

圖2為軸承失效外圈斷口的掃描電鏡照片，以及臺(tái)階各處的放大圖像。可以看出，主要裂紋源為臺(tái)階處的立面，在立面上存在較多比較平滑的波紋狀區(qū)域及孔洞，并在較低臺(tái)階的兩個(gè)面上都發(fā)現(xiàn)了較為明顯的內(nèi)部裂紋。

圖3則給出了未發(fā)生斷裂的幾處裂紋的顯微形貌。裂紋深度為0.5～1mm，平均深度約為0.8mm，基本垂直于并延伸至表面。將開裂的試樣沿裂紋深度方向做成金相試樣，拋光并腐蝕后通過掃描電子顯微鏡研究裂紋的微觀形態(tài)，在圖4中給出了圖3所列出的3條裂紋的微觀形貌，從圖4中可以發(fā)現(xiàn)裂紋基本垂直于表面向內(nèi)擴(kuò)展，為彎曲走向，呈鋸齒狀，也有不連續(xù)現(xiàn)象，并在一些區(qū)域存在顯微孔洞，裂紋為沿晶開裂，裂紋附近的組織與基體組織相同，但顏色稍深。圖5針對(duì)圖4中最后一張圖進(jìn)行了放大，從圖中可以明顯看出裂紋尖端組織中存在一定量的顯微孔洞。

根據(jù)上面的分析及延遲斷裂的特征，基本可以判定該開裂現(xiàn)象屬于氫致延遲斷裂范疇，排除淬火裂紋的可能，屬于磨削開裂現(xiàn)象的一種。

磨削是微型軸承加工的重要工序之一。一般情況下，磨削時(shí)表面的溫度非常高，許多試驗(yàn)也證明磨削區(qū)的溫度可以驟然升高到400～1000℃。同時(shí)，在冷卻液及工件自身導(dǎo)熱的作用下，工件表層又會(huì)被急速冷卻，類似于一種瞬時(shí)的熱處理過程，通常把這種薄層稱為磨削變質(zhì)層。急冷后形成二次淬火層，而同時(shí)在工件的次表面由于磨削產(chǎn)生的熱量還沒有完全散失，反過來對(duì)表面二次淬火層又進(jìn)行了自回火。當(dāng)自回火溫度接近材料的最終回火溫度時(shí)，腐蝕后的組織就會(huì)和心部正常顯微組織接近，但顏色會(huì)稍有不同。磨削熱使工件表面的溫度升高，而工件表面又會(huì)在冷卻液的作用下急冷，這個(gè)過程會(huì)產(chǎn)生非常大的熱應(yīng)力。由于磨削變質(zhì)層很淺，最大殘余應(yīng)力也會(huì)出現(xiàn)在磨削表面較小的范圍內(nèi)，所以磨削裂紋一般都比較淺。

圖3 軸承套圈中的各條裂紋形貌

圖4 各裂紋處的顯微組織

另外，金屬材料在加工制造過程中易受到氫的侵入。研究表明，一般鋼中的含氫量在（5～10）×10-4%以上時(shí)可產(chǎn)生氫致裂紋，但對(duì)于高強(qiáng)度鋼，即使鋼中的氫含量小于1×10-4%，也可以產(chǎn)生氫致裂紋。在磨削過程中，由于應(yīng)力的作用，原來處在點(diǎn)陣中的氫原子會(huì)通過擴(kuò)散集中于裂紋尖端等應(yīng)力集中處，并優(yōu)先積聚在晶界和位錯(cuò)等缺陷位置，氫原子與位錯(cuò)的交互作用，使位錯(cuò)線被釘扎住，不能再自由活動(dòng)，從而使基體變脆。在外加或殘余拉應(yīng)力作用下，氫原子通過降低材料的結(jié)合力、表面能或改變其塑性變形行為等各種可能的方式，導(dǎo)致材料脆化，有人通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)也證明了氫對(duì)GCr15的磨削裂紋的形成和擴(kuò)展都有促進(jìn)作用。

一般情況，只有硬度45HRC以上的金屬材料才有磨削開裂的可能，而要達(dá)到此硬度要求，其顯微組織一般應(yīng)為回火馬氏體、貝氏體等。由于淬火馬氏體存在大量晶體缺陷（位錯(cuò)等），以及淬火后的殘余應(yīng)力存在，增大了吸氫效應(yīng)，因此淬火馬氏體（低溫回火馬氏體）是對(duì)氫脆最為敏感的顯微組織。另外，本文中所用到的軸承制品加入了深冷處理工序。深冷處理相當(dāng)于二次淬火，其主要作用是將材料中的殘留奧氏體在更低的溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，也容易產(chǎn)生磨削開裂。

3. 結(jié)語

（1）該軸承部件的開裂為氫致延遲性破裂，屬于磨削開裂的一種。

（2）針對(duì)氫致延遲斷裂這種磨削開裂模式，需要在磨削過程中調(diào)整相關(guān)參數(shù)，一方面盡量降低磨削熱的大量積聚，如控制單次進(jìn)給量等；另一方面就是可考慮在深冷處理前增加一道回火工序，或在深冷處理后迅速進(jìn)行更高一點(diǎn)溫度的回火處理，具體工藝參數(shù)有待進(jìn)一步的研究。

圖5 裂紋3尖端的掃描電鏡像