推力調心滾子軸承軸圈通裂失效分析

儀欣

（瓦房店軸承集團國家軸承工程技術研究中心有限公司，遼寧 瓦房店 116300）

某軸承公司生產的推力調心滾子軸承主要用在鋼管廠的小車串管機上，軸承工作溫度為20 ℃ 左右，使用壽命要求為 6～8 個月。該軸承上機一周后發生軸圈通裂，失效軸承照片如圖1－3 所示。

圖1 軸圈斷裂形貌

1 軸承宏觀檢測

軸圈滾道面運轉痕跡正常，如圖1 所示。軸圈內徑面有與軸相對滑動而產生的滑動痕跡，該痕跡分布整個圓周方向，如圖2 所示。

圖2 軸圈內徑形貌

圖3 滾子大端面形貌

送檢軸圈試樣形貌如圖4 所示，圖中標記處為圖1 中斷口，該斷口形貌如圖5 所示，整個斷面平坦，無明顯裂紋擴展輝紋，無氧化回火色。圖5 中標記處為斷口的開裂起源，即起源于大擋邊。大擋邊有擦傷，如圖6 所示。

圖4 送檢試樣形貌

圖5 斷口形貌

圖6 大擋邊擦傷形貌

滾子大端面均有被擠壓痕跡，如圖3 所示。個別滾子大端因被擠壓、擦傷較重，端面金屬向外徑方向流動，如圖7 所示。滾子外徑運轉痕跡偏向小端側，且靠近小端側有條形剝離和沿周向擦傷，如圖8－9 所示。

圖7 滾子大端面形貌

圖8 未送檢滾子外徑形貌

圖9 送檢滾子外徑形貌

滾子大端面與軸圈大擋邊接觸面較小，如圖10－11 所示。

圖10 滾子大端面與軸圈大擋邊接觸形貌

圖11 軸圈大擋邊側油溝與滾子大端面接觸形貌

2 軸承微觀檢測

2.1 化學成分檢測

采用 ARL4460 直讀光譜分析儀按 GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法（常規法）》對送檢軸圈和滾子試樣進行檢測。根據圖紙，送檢的試樣材料牌號均為標準 GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》中的 GCr15SiMn，檢驗結果見表1。根據檢測結果，軸圈試樣化學成分符合GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》標準要求，滾子化學成分符合 GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》標準中的 GCr15，與圖紙要求不符。

表 1 化學成分檢測結果（質量分數，%）

2.2 性能檢測

采用HR-150A洛氏硬度計（檢測范圍：20～67 HRC），按 GB/T 230.1—2018《金屬材料洛氏硬度試驗方法》對送檢的軸圈試樣距滾道面3 mm 處和滾子的小端面進行檢測，軸圈有效壁厚為 34.77 mm，滾子有效直徑為 37.32 mm，檢測結果見表2。根據檢測結果判定，送檢軸圈和滾子硬度均符合 JB/T 1255—2014《滾動軸承 高碳鉻軸承鋼零件 熱處理技術條件》標準要求。

表2 硬度檢測結果 HRC

2.3 非金屬夾雜物檢測

采用LEICA DMRXE金相顯微鏡按 GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定-標準評級圖顯微檢驗法》對送檢軸圈和滾子試樣進行檢測，檢測結果如表3。根據檢測結果，送檢軸圈的非金屬夾雜物符合 GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》中優質鋼標準要求；滾子 D 類細系超標，不符合 GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》中優質鋼標準要求，如圖12 所示。

表3 非金屬夾雜物檢測結果級

圖12 滾子D 類細系超標形貌

2.4 金相組織檢測

采用 LEICA DMRXE 金相顯微鏡按 JB/T 1255—2014《滾動軸承 高碳鉻軸承鋼零件 熱處理技術條件》對送檢軸圈和滾子進行檢測，檢測結果見表4。根據檢測結果，送檢軸圈顯微組織均符合JB/T 1255—2014《滾動軸承 高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術條件》標準要求；滾子網狀碳化物超標，不符合 JB/T 1255—2014《滾動軸承 高碳鉻軸承鋼零件 熱處理技術條件》標準要求，滾子（原材料為球化退火狀態，直徑為 38.25 mm）帶狀碳化物超標，不符合 GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》標準要求，組織照片見圖13－19。

表4 顯微組織檢測結果級

圖13 軸圈試樣馬氏體組織 ×500

圖14 軸圈試樣網狀碳化物 ×500

圖15 滾子試樣3 mm 以外屈氏體組織 ×500

圖16 滾子試樣馬氏體組織 ×500

圖17 滾子試樣網狀組織 ×500

圖18 滾子試樣帶狀組織 ×500

圖19 滾子試樣帶狀組織 ×100

檢測軸圈大擋邊，靠近油溝側二次淬火層較輕，如圖20 所示；大擋邊外側存在嚴重的二次淬火層和高溫回火轉變，如圖21 所示。

圖20 軸圈大擋邊油溝側組織形貌 ×100

圖21 軸圈大擋邊外側組織形貌 ×100

滾子大端面靠近凹穴側無擦傷層，擦傷層開始于圖7 中箭頭所指處，圖22 中二次淬火層開始的位置即為圖7 中箭頭所指處，從該處直至外徑側均存在二次淬火層，深度達到 0.058 mm。圖23 為滾子大端面靠近外徑側二次淬火層，深度達到 0.060 mm。

圖22 滾子靠近凹穴側形貌 ×100

圖23 滾子靠近外徑側形貌 ×100

3 分析與結論

根據外觀和理化檢驗結果可得出如下結論：

（1）軸圈理化檢驗結果均符合相關標準要求。

（2）滾子的鋼種與圖紙要求不符。追溯其原因是因為投料生產時圖紙要求鋼種不足，便采用 GCr15 替代，但替代的鋼材（即滾子試樣）非金屬夾雜物、網狀碳化物和帶狀碳化物均超標。

（3）軸圈斷口起源于大擋邊，在該處組織存在二次淬火層和高溫回火層，觀察軸圈斷口形貌，無氧化回火色。滾子大端面與軸圈大擋邊接觸的部分靠近凹穴側組織無異常，靠近外徑側均存在二次淬火層和高溫回火層，二次淬火層越深該處開裂現象越重[1]。

（4）滾子大端面與軸圈大擋邊接觸不良，承受軸向力時，軸圈大擋邊與滾子大端面部分接觸，較小的接觸面無法正常承受全部載荷，因此在滾子大端面與軸圈大擋邊接觸處相互擠壓、擦傷，產生二次淬火層和高溫回火層，最終在軸圈大擋邊處開裂。