大型回轉(zhuǎn)支承滾道裂紋機(jī)理分析

李 騰，門冠云，武麗明，孫亞軍

(山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046000)

0 引言

某部件大型回轉(zhuǎn)支承是產(chǎn)品的關(guān)鍵部件，具有承載、回轉(zhuǎn)等功能，回轉(zhuǎn)支承的失效形式主要是滾道磨損、齒面磨損、滾道裂紋和齒斷裂等，齒面裂紋或斷裂直接導(dǎo)致回轉(zhuǎn)支承報(bào)廢，滾道裂紋會(huì)加速回轉(zhuǎn)支承的損壞，大大降低回轉(zhuǎn)支承的設(shè)計(jì)使用壽命[1]。本文針對(duì)回轉(zhuǎn)支承在使用較長(zhǎng)時(shí)間后檢測(cè)發(fā)現(xiàn)滾道表面的裂紋進(jìn)行機(jī)理分析研究。

1 回轉(zhuǎn)支承滾道及其宏觀裂紋形貌

回轉(zhuǎn)支承零件滾道為50Mn的鍛件，回轉(zhuǎn)中心直徑為Φ1 100 mm。滾道加工工藝流程為：毛坯鍛件→粗車內(nèi)外圓→超聲探傷→半精車內(nèi)外圓→低溫時(shí)效處理→精車內(nèi)外圓及滾道尺寸→滾齒→銑鏜各安裝孔→滾道淬火→磁粉探傷→拋光滾道表面。圖1為回轉(zhuǎn)支承滾道實(shí)物。

圖1 回轉(zhuǎn)支承滾道實(shí)物

將滾道裂紋部位取樣后采用目視及體視顯微鏡進(jìn)行觀察，裂紋位于滾道內(nèi)部及滾道外部的機(jī)加工表面，裂紋長(zhǎng)短不一，呈斷續(xù)分布，觀察到的最長(zhǎng)裂紋約10.6 mm，所有裂紋形態(tài)較為相似；所有裂紋附近未見明顯機(jī)械損傷痕跡，滾道表面有多處明顯腐蝕痕跡，體視顯微鏡下觀察，銹蝕區(qū)域內(nèi)部附著一層紅褐色銹蝕產(chǎn)物，銹蝕區(qū)域邊緣存在個(gè)別小點(diǎn)蝕坑，其他區(qū)域呈亮金屬色。圖2為經(jīng)磁粉探傷后的滾道裂紋宏觀形貌。

圖2 經(jīng)磁粉探傷后的滾道裂紋宏觀形貌

2 理化檢驗(yàn)

2.1 斷口形貌分析

圖3為滾道裂紋人工折斷后的宏觀形貌。從圖3中可以看出，折斷后新、舊斷口區(qū)域界線分明，新斷口的金屬光澤顯著，而舊斷口顏色呈藍(lán)黑色[2]，觀察到的裂紋深度為0.6 mm～1.8 mm。

圖3 沿裂紋折斷后的斷口宏觀形貌

2.2 掃描電鏡分析及能譜分析

用掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行微觀形貌觀察及能譜分析，分析結(jié)果如圖4～圖9所示。從圖4～圖9可以看出：各裂紋試樣斷面形貌較為相似，舊斷口區(qū)域可見沿晶二次裂紋，為脆性斷口，具有以沿晶為主+穿晶開裂的延遲開裂特征，斷面上附著“泥紋”狀物質(zhì)，表面覆蓋有氧化鐵生成物，能譜分析含有Fe、O、Cl及少量Cr、Mn、Si元素，表明基體發(fā)生了腐蝕；新、舊斷口交接區(qū)域?yàn)轫g性斷裂，能譜分析主合金元素與基體相似，表明裂紋斷口是在滾道使用過程中裂紋發(fā)生了延遲開裂形成的；人工斷口其他區(qū)域呈解理+韌窩形貌，能譜分析含有Fe(主)、Mn(0.8%)、Si(0.4%)元素，主合金元素及含量未見異常。

2.3 金相分析

從滾道試樣中存在裂紋部位取樣進(jìn)行金相分析，結(jié)果顯示：所有裂紋均沿晶擴(kuò)展，可見較多沿晶分叉裂紋；滾道表面存在較多腐蝕坑；金相試樣基體組織為索氏體+鐵素體，硬化層組織為馬氏體[3]；所有裂紋均位于硬化層內(nèi)部，裂紋區(qū)域組織與其他區(qū)域組織未見差異，具體見圖10。

圖4 舊斷口低倍形貌 圖5 斷口腐蝕產(chǎn)物形貌

圖6 新、舊斷口交接區(qū)域形貌 圖7 人工斷口形貌

圖8 舊斷口能譜分析 圖9 人工斷口能譜分析

圖10 滾道內(nèi)部裂紋形貌

2.4 硬度測(cè)試

對(duì)滾道試樣采用梯度測(cè)試方法進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明滾道試樣表面及近表層硬度滿足設(shè)計(jì)要求，硬化層深度滿足要求。

3 分析與討論

能譜分析結(jié)果表明滾道所用材料的主成分未見異常，金相分析結(jié)果表明材料基體組織為索氏體+鐵素體，硬化層組織為馬氏體，硬化層深度及硬度符合設(shè)計(jì)要求。

滾道圓弧表面及滾道邊緣均可見多條裂紋，裂紋的走向具有明顯的規(guī)律性，滾道圓弧表面的裂紋與徑向夾角約70°，滾道邊緣的裂紋與徑向夾角約45°；打開的裂紋斷口均呈藍(lán)黑色，應(yīng)是受到高溫作用形成的氧化色，斷口微觀呈沿晶形貌，可見沿晶二次裂紋，部分晶面存在明顯腐蝕痕跡；金相分析結(jié)果表明裂紋起始時(shí)位于硬化層內(nèi)部，在滾道使用過程中裂紋又發(fā)生了延遲開裂，其原因是在裂紋尖端的應(yīng)力腐蝕集中效應(yīng)下，使淬火裂紋繼續(xù)延遲開裂。

滾道生產(chǎn)完成后磁粉探傷檢查無異常，經(jīng)使用一段時(shí)間后磁粉探傷出現(xiàn)裂紋，此現(xiàn)象是由于長(zhǎng)時(shí)間的回火使淬火裂紋縫隙中充滿了氧化鐵填充物，而氧化鐵的導(dǎo)磁性與基體金屬相近，且由于裂紋很細(xì)小，磁粉檢測(cè)不易顯示，但隨著長(zhǎng)時(shí)間的使用，被氧化鐵填充的裂紋尖端陸續(xù)產(chǎn)生延遲開裂縫隙，使裂紋張開，并使縫隙內(nèi)的脆性氧化鐵填充物碎裂，在磁粉檢測(cè)時(shí)易于顯示，所以再次檢測(cè)出現(xiàn)裂紋。

4 結(jié)論

回轉(zhuǎn)支承滾道裂紋均為淬火熱處理裂紋，長(zhǎng)時(shí)間使用過程發(fā)生了應(yīng)力腐蝕擴(kuò)展，形成延遲開裂現(xiàn)象。