【德國進(jìn)口軸承】軸承套圈的斷裂失效分析及裂紋形貌特征

  濟(jì)南市鴻慷機(jī)電設(shè)備有限公司位于交通便利的泉城濟(jì)南，是全球生產(chǎn)滾動(dòng)軸承和直線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品的領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)---德國舍弗勒集團(tuán)在山東的授權(quán)代理商。公司專營舍弗勒集團(tuán)旗下兩大品牌德國INA軸承和德國FAG軸承，是一家順應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要而誕生的專業(yè)化新型高端軸承公司。多年來一直從事軸承的銷售和售后技術(shù)支持，在機(jī)械行業(yè)技術(shù)方面有著非常豐富的經(jīng)驗(yàn)，今天濟(jì)南鴻慷機(jī)電進(jìn)口軸承專家為大家介紹一下軸承套圈的斷裂失效分析及裂紋形貌特征。

  摘要：通過軸承的斷裂失效實(shí)例，分析淬火、鍛造水裂、車削和磨削裂紋的形貌及斷口特征，探討了裂紋的形成原因和相應(yīng)的預(yù)防措施，總結(jié)出不同類型的裂紋形貌和斷口特征。

  1前言

　　某軸承廠在裝配88107EYYN軸承期間，接連發(fā)現(xiàn)軸承外圈在裝配力作用下斷裂，對這批軸承套圈調(diào)查結(jié)果如下。

　　1.軸承結(jié)構(gòu)

　　該軸承套圈比普通套圈多二條密封槽，此結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定它比普通套圈更容易引起應(yīng)力集中（見圖1）。

　　2.零件的選材與加工工藝

　　1）原材料：采用GCr15熱軋圓棒料。

　　2）工藝流程：下料—鍛造—退火—車削—淬火—清洗—回火—磨削—裝配。

　　3.工藝現(xiàn)狀調(diào)查

　　1）鍛造：由于冷卻鍛模的水管泄漏，壓力機(jī)附近地面有積水。

　　2）車削：操作人員采取大進(jìn)給量切削，使部分套圈表面出現(xiàn)很深的刀痕。

　　3）淬火：振底式氮?dú)獗Ｗo(hù)淬火爐，由于長期未清除爐膛，滴入的丙酮與套圈攜帶的臟物，在爐底板上形成較厚的粘狀物，使部分套圈在淬火加熱時(shí)被粘在爐內(nèi)停留時(shí)間過長。

　　4）磨削：操作人員采取高速磨削，使用已變鈍的磨輪，并保持大進(jìn)給量，導(dǎo)致磨削時(shí)冷卻不充分，產(chǎn)生大量的磨削熱。

　　5）裝配：裝配時(shí)須加力使套圈變形，才能將最后一顆鋼球放入內(nèi)、外套圈的間隙中。如圖2所示，在外力F的作用下，套圈外表面A處和內(nèi)表面B處受到拉應(yīng)力，而在外表面D處和內(nèi)表面C處則受到壓應(yīng)力。

  ２裂紋形貌及斷口特征

　　從該批套圈中抽取50只，先進(jìn)行冷酸洗，發(fā)現(xiàn)部分套圈有裂紋，但未發(fā)現(xiàn)表面脫碳，然后對這部分套圈進(jìn)行去應(yīng)力回火和熱酸洗。

　　去應(yīng)力回火工藝和熱酸洗方法為：（1）去應(yīng)力回火工藝：加熱到400℃，保溫1h，取出空冷至室溫。（2）熱酸洗方法：套圈在50%HCl溶液中加熱到60℃，煮20min，取出用冷水刷洗。

　　熱酸洗后發(fā)現(xiàn)12只套圈表面有裂紋，其中淬火裂紋5只，鍛造水裂2只，車削裂紋2只，磨削裂紋3只。在這些次品套圈中，有的套圈同時(shí)存在2種不同類型的裂紋。再取不同類型的裂紋套圈各1只，垂直于裂紋截取試樣、觀察裂紋周邊和末端形貌。分析如下。

　　1.裂紋形貌分析

　　1）淬火裂紋（見圖3）：裂紋細(xì)長，彎曲不規(guī)則地分布在套圈外表面，裂紋起始端在密封槽（應(yīng)力最集中的位置）。從圖4裂紋的周邊和末端形貌上可看到裂紋深0.2mm，平直無分枝，周邊無氧化脫碳區(qū)，裂尖銳利。原因是裂紋在淬火快速冷卻過程中形成，隨后套圈不再經(jīng)過長時(shí)間高溫加熱，因此裂紋周圍無氧化脫碳區(qū)。

　　2）鍛造水裂裂紋（見圖5箭頭A處）：裂紋起始于端面倒角處，沿軸向延伸。普通鍛造裂紋是鍛加工后沿晶界出現(xiàn)的表面龜裂狀開裂，而鍛造水裂裂紋是鍛造成形的高溫套圈掉入地面積水中，套圈部分區(qū)域在積水中被淬火所造成。再從圖6的裂紋周邊和末端形貌上可看到，裂紋深0.5mm，平直無分枝，周邊有氧化脫碳區(qū)，裂尖圓鈍。原因是套圈在鍛造后再需退火，在退火過程中裂紋經(jīng)過長時(shí)間高溫加熱，使裂紋周邊產(chǎn)生氧化、脫碳。

　　3）車削裂紋（見圖7）：裂紋短而直，沿套圈圓周方向（即車刀運(yùn)動(dòng)方向）斷斷續(xù)續(xù)地平行分布，再從圖8的裂紋周邊和末端形貌來看，裂紋深0.1mm，無分枝和氧化脫碳區(qū)、裂尖銳利。原因是車削裂紋也在淬火過程中形成，以后不再經(jīng)歷長時(shí)間高溫加熱，所以裂紋周圍無氧化脫碳區(qū)。

　　4）磨削裂紋（見圖9）：裂紋呈網(wǎng)狀分布，其形貌與熱處理表面龜裂相似但有區(qū)別，磨削裂紋套圈的表面有時(shí)伴隨出現(xiàn)帶狀回火區(qū)域，熱處理表面龜裂的原因是表面脫碳，而冷酸洗時(shí)未發(fā)現(xiàn)表面脫碳，因此圖5中的表面網(wǎng)狀裂紋是磨削裂紋。再從圖9的裂紋周邊和末端形貌來看，裂紋深0.08mm，無分枝和氧化脫碳區(qū)，裂尖銳利。原因是磨削裂紋形成后也不再經(jīng)歷長時(shí)間高溫加熱，因此裂紋周圍無氧化脫碳區(qū)。

　　2.斷口特征分析

　　1）淬火裂紋斷口：由灰色粗結(jié)晶狀斷口區(qū)組成，根據(jù)JB1255—91標(biāo)準(zhǔn)評定為過熱斷口（見圖10）。

　　2）鍛造水裂斷口：斷口由淺灰色細(xì)瓷狀脆性斷口區(qū)組成，按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)評為正常斷口，但在滾道一側(cè)有寬2mm、長16mm的黑色斷口區(qū)，而在黑色斷口區(qū)與淺灰色斷口區(qū)交界處有多條極細(xì)的放射線，這表明黑色斷口區(qū)為裂紋源（見圖11）。

　　3）車削裂紋斷口：斷口平直，由灰色細(xì)瓷狀脆性斷口區(qū)組成，按標(biāo)準(zhǔn)評為正常斷口。此外在斷口上還可看到短的徑向裂紋與套圈內(nèi)表面粗車刀痕相連，這表明裂紋是在粗車刀痕根部起裂并朝徑向擴(kuò)展而形成，在外力作用下它進(jìn)一步加深（見圖12箭頭處）。

　　4）磨削裂紋斷口：斷口由淺灰色細(xì)瓷狀脆性斷口區(qū)組成，按標(biāo)準(zhǔn)可評為正常斷口，此外在斷口上也有放射線，但無黑色斷口區(qū)（見圖13）。

 ３裂紋形成原因及預(yù)防措施

　　1.淬火裂紋的形成原因是由于在振底式氮?dú)獗Ｗo(hù)爐內(nèi)部分套圈被粘住，而未能按節(jié)拍振出高溫加熱區(qū)，導(dǎo)致淬火加熱溫度過高，加熱時(shí)間過長，使奧氏體晶粒變粗，碳化物溶解過多，在淬火過程中形成粗大馬氏體，伴隨產(chǎn)生很大的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，當(dāng)套圈應(yīng)力集中處（密封槽）的應(yīng)力超過原子間結(jié)合力則產(chǎn)生微裂紋，隨后微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展形成淬火裂紋。預(yù)防措施是清理振底式氮?dú)獗Ｗo(hù)爐爐膛粘狀物，防止套圈加熱時(shí)被粘住。

　　2.鍛造水裂裂紋的形成原因是鍛加工時(shí)操作人員不慎將剛鍛造成形的高溫套圈掉入機(jī)床附近的地面積水中，預(yù)防措施是排除地面積水或防止套圈掉入積水。

　　3.車削裂紋的形成原因是淬火冷卻時(shí)在粗車刀痕處產(chǎn)生應(yīng)力集中，使刀痕根部開裂產(chǎn)生微裂紋并徑向擴(kuò)展。預(yù)防措施是使操作人員正確地執(zhí)行操作工藝，避免產(chǎn)生粗車刀痕。

　　4.磨削裂紋的形成原因是磨削過程中采用鈍磨輪和大進(jìn)給量高速磨削，使套圈表面溫度達(dá)820～840℃，套圈表面部分區(qū)域被重新奧氏體化，這部分奧氏體在冷卻液作用下再次被淬火成馬氏體（二次馬氏體），由此產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，結(jié)果在套圈表面形成網(wǎng)狀磨削裂紋。預(yù)防措施是及時(shí)修整磨輪，避免采用大進(jìn)給量高速磨削，減少磨削熱。

  ４結(jié)論

　　1.淬火裂紋：裂紋呈不規(guī)則線條狀，起始于應(yīng)力集中區(qū)（如棱角、凹槽、夾雜物等部位），裂紋周邊無氧化脫碳區(qū)，裂尖銳利，過熱斷口。

　　2.鍛造水裂裂紋：裂紋較深，起始于水浸部位，裂紋周邊有氧化脫碳區(qū)，裂尖圓鈍，正常斷口。

　　3.車削裂紋：裂紋較淺，呈直線狀，起始于粗車刀痕根部，裂紋斷斷續(xù)續(xù)地沿車刀運(yùn)動(dòng)方向平行分布，裂紋周邊無氧化脫碳區(qū)，裂尖銳利，正常斷口。

　　4.磨削裂紋：裂紋較淺呈網(wǎng)狀，磨削表面常伴隨出現(xiàn)帶狀回火區(qū)，裂紋周邊無氧化脫碳區(qū)，裂尖銳利，正常斷口。

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