某汽車輪轂軸承法蘭內圈開裂原因

操龍飛

(天際汽車科技集團有限公司，上海 201821)

0 引 言

輪轂軸承是汽車的關鍵零件之一，其主要功能是承受整車重力以及為輪轂轉動提供精確的導向，因此需要同時承受軸向載荷和徑向載荷[1-4]。與第一代和第二代輪轂軸承相比，第三代輪轂軸承結構緊湊、安裝方便，能夠滿足整車輕量化的發展要求，近年來在汽車行業得到廣泛應用[5-9]。

某廠生產的第三代輪轂軸承法蘭材料為65Mn鋼，盤面直徑為160 mm，高度為98 mm，其主要生產工藝流程為熱模鍛→整體調質處理→車削加工→工作面感應淬火→磨削加工→裝配。要求零件整體調質處理后，硬度為230～300 HBW，顯微組織為回火索氏體；工作面感應淬火后，硬度為60～65 HRC，顯微組織為回火馬氏體，淬硬層深度為1.8～3.0 mm。某批次輪轂軸承法蘭在待裝配時，肉眼可見其大盤面倒圓角區域出現沿圓周方向分布的裂紋缺陷。為找出該軸承法蘭零件開裂的原因，作者對其進行了失效分析。

1 理化檢驗及結果

1.1 宏觀形貌

由圖1可見，該輪轂軸承法蘭內圈出現大量細小裂紋，裂紋呈橘皮狀，沿圓周分布于大盤面倒圓角區域，與熱模鍛上模具加載形成的毛坯面平行。

圖1 開裂輪轂軸承法蘭宏觀形貌Fig.1 Macroscopic morphology of cracked hub bearing flange

沿軸承法蘭中心軸線將其剖開，經磨制后置于50%(質量分數，下同)鹽酸水溶液中，剖面向上。設置加熱溫度為75 ℃，浸泡20 min后采用3%碳酸鈉水溶液清洗剖面上的腐蝕產物，然后用開水沖洗干凈，觀察其鍛造流線形貌。由圖2可見：該零件剖面鍛造流線正常，未見明顯亂流、穿流或紊亂現象；大量斷續、平行的細小裂紋分布于鍛造變形集中區域，以零件軸線為中心近似呈對稱分布，且主裂紋沿鍛造流線向零件尾部中心區域擴展，形成貫穿式開裂。

圖2 開裂輪轂軸承法蘭剖面的鍛造流線Fig.2 Forging flowline of section of cracked hub bearing flange

1.2 化學成分及硬度

在零件正常位置取樣，利用ARL3460型直讀光譜儀進行化學成分分析。由表1可以看出，該軸承法蘭各元素含量均滿足GB/T 699-2015對65Mn鋼的技術要求。利用HB-3000型布氏硬度計對試樣進行硬度檢測，3次測試結果分別為251，253，250 HBW，滿足其整體調質處理后的硬度要求。

表1 開裂輪轂軸承法蘭的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of cracked hub bearing flange (mass) %

圖3 輪轂軸承法蘭斷口和大盤面裂紋的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of fracture of hub bearing flange (a-b) and of cracks on large plate (c-d):(b) amplification of area A and (d) amplification of area B

1.3 斷口形貌及微區成分

將該輪轂軸承法蘭內圈的裂紋人為打開后截取斷口試樣，將試樣置于丙酮中，使用超聲波清洗機清洗干凈。使用ZEISS EVO 18型掃描電子顯微鏡(SEM)對斷口形貌及車加工后的大盤面裂紋區形貌(見圖2)進行觀察。由圖3可知，軸承法蘭斷口和大盤面裂紋區的微觀形貌相似，表面均分布著大小不一、具有自由表面特征的熔融收縮狀突起物[10-12]，在晶粒界面處分布有孔洞，斷口未見任何機械加工或外物損傷痕跡。

通過掃描電鏡附帶的能譜分析儀(EDS)對該軸承法蘭斷口和大盤面裂紋區域進行微區成分分析。由表2可知：除基體元素外，裂紋表面不存在低熔點夾雜物形成元素；裂紋表面均存在少量氧元素，說明該區域發生了輕微氧化，這是由于零件開裂后與空氣有所接觸。

表2 輪轂軸承法蘭斷口和大盤面裂紋的EDS分析結果(質量分數)Table 2 EDS analysis results of fracture of hub bearing flange and cracks on large plate (mass) %

1.4 顯微組織與夾雜物

在開裂軸承法蘭縱截面和大盤面開裂區域的橫截面上分別取樣，經磨拋后，采用Axio Vert.A1型光學顯微鏡觀察裂紋形態及非金屬夾雜物，用體積分數4%硝酸酒精溶液浸蝕后進行顯微組織觀察。

由圖4可見：在法蘭縱截面上，裂紋局部邊緣呈鋸齒狀，主裂紋周邊分布有諸多孔洞和細小裂紋，裂紋內部無明顯氧化物；局部裂紋沿晶界擴展導致材料發生脫落；裂紋及孔洞附近的顯微組織為4級回火索氏體+少量鐵素體，無脫碳現象。按照GB/T 10561—2005中的方法A進行非金屬夾雜物檢測，結果為A細1.0、A粗0.5、B細0.5、B粗0.5、C細0、C粗0、D細1.0、D粗0.5，符合要求。

圖4 開裂輪轂軸承法蘭縱截面微觀形貌Fig.4 Micromorphology of longitudinal section of cracked hub bearing flange: (a) serrated boundary of crack; (b) crack propagation along grain boundary; (c) microstructure near crack and (d) microstructure near cavity

由圖5可見：大盤面橫截面上存在大小不一的尖角狀孔洞，孔洞內部圓滑，周圍存在大量細小裂紋；裂紋及孔洞附近顯微組織為4級回火索氏體，無脫碳現象。

2 開裂原因分析

由上述理化檢驗結果可知，該汽車輪轂軸承法蘭內圈的化學成分、硬度、整體調質處理后的顯微組織均滿足各項標準對65Mn鋼的技術要求，由于裂紋區域為非感應淬火區域，因此開裂與感應淬火過程無關。由斷口SEM形貌和能譜分析結果可知，斷口呈金屬熔融凝固收縮后的自由表面特征，且存在大量的細小孔洞，說明零件在加工過程中經歷過異常高溫而發生熔化后結晶或其原始母材中存在殘留縮孔缺陷。該輪轂軸承法蘭的最高鍛造溫度為1 050 ℃，整體調質過程的最高加熱溫度為850 ℃，均遠低于其材料熔點(1 450 ℃)，且斷口未見任何機械加工或外物損傷痕跡，說明該零件裂紋缺陷形成于機械加工之前。由裂紋缺陷宏觀及微觀形貌可知，主裂紋沿鍛造流線擴展，大盤面的孔洞內表面均呈金屬熔融收縮凝固形態，裂紋以孔洞為中心并沿材料變形方向擴展，說明該裂紋缺陷形成于鍛造成型過程中，與母材中的殘余縮孔缺陷有關。

圖5 開裂輪轂軸承法蘭大盤面橫截面微觀形貌Fig.5 Micromorphology of lateral section of cracked hub bearing flange: (a) cavities and cracks, at low magnification; (b) cavities and cracks, at high magnification; (c) microstructure near the crack and (d) microstructure near the cavity

殘余縮孔一般位于連鑄坯的頭部或尾部中心部位，呈漏斗狀空腔，屬于鋼液在連鑄過程中不可避免的冷凝收縮現象[13]。通常情況下，鋼鐵生產企業會對連鑄坯切頭切尾，以防止其中的缺陷殘留在軋材中影響鍛件質量。然而在連鑄過程中會由于澆注工藝不當或鋼液液面波動等異常情況導致工藝制定的切除量偏小，使得殘余縮孔等缺陷殘留在零件中，從而降低了零件的有效承載面積。而且，在外部載荷下縮孔周邊易形成應力集中而萌生微裂紋，裂紋不斷擴展導致材料開裂，極大影響著零件的使用壽命。因此，對汽車輪轂軸承法蘭零件所用原材料的檢驗至關重要。可針對頭坯和尾坯進行標識，對其原材料質量予以重點關注。

3 結論及建議

(1) 該汽車輪轂軸承法蘭內圈開裂主要是由于鍛造過程中存在鍛造裂紋；鍛造裂紋的產生原因為連鑄坯頭尾的切除量不足導致原材料中存在殘余縮孔缺陷；在鍛造過程中裂紋從縮孔處萌生并沿材料變形方向擴展，最終導致軸承法蘭尾部開裂。

(2) 建議加強對軸承法蘭類零件原材料的入廠質量檢驗，重點關注其低倍組織和縮孔缺陷。