大型轴承表面裂纹原因分析

1、大型轴承表面裂纹原因分析李立军，龚桂仙，吴立新，张友登(武汉钢铁集团公司技术中心，湖北武汉430080)摘要：对进口大型轴承内套圈表面裂纹进行分析。结果表明，裂纹产生的原因与磨削工艺不当有关，在磨削过程中发生高温回火烧伤，使材料表面断裂强度降低而产生裂纹。关键词：轴承；裂纹；分析某冷轧厂冷轧机组进口支承辐轴承，内套圈外径<990mm内径<900mm宽度420mm轴承内套圈与支承辐装配采用热装工艺，在油箱中将轴承内套圈加热到166C,保温25min,取出后迅速装到支承辐上。热装后，对轴承内套圈表面进行最后的磨削，保证内套圈与支承辐的同心度。在轴承使用之前，发现多个轴承内套圈外表面有很

2、多细小裂纹。通过对轴承内套圈进行取样分析，探明了裂纹产生的原因，本文介绍分析过程及结果。1.1.1 1检验与结果1裂纹特征裂纹表面特征检查多个轴承内套圈外表面，肉眼很难发现裂纹。采用磁粉探伤、着色和荧光显示，在内套圈外表面上发现许多细小裂纹，裂纹位置的分布无规律，在内套圈外表面的边部、中部及整个圆周方向均发现了裂纹。裂纹大多数呈放射状，其中有的呈“人”字形，有的呈“T'形，有的呈“x”形，另外还有少数裂纹呈分散条状。在放射状裂纹密集的区域，裂纹交织成网状。对内套圈外表面进行热酸蚀检查，发现表面裂纹更加明显图1(a)o浅磨内套圈外表面试样(保留磨削加工过程中的磨痕)，在金相显微镜下观察，

3、裂纹与磨痕方向呈一定角度或垂直图1(b)o进一步磨去试样表面磨痕并抛光，在金相显微镜下观察，发现裂纹由断续分布的线条组成，线条呈弯曲状图1(C)o(a)热酸蚀后；(b)浅磨后；(c)抛光后图1裂纹表面特征1.1.2 裂纹截面特征选取内套圈截面试样进行观察，发现裂纹仅分布于外表层，未出现在内部和内表层。在金相显微镜下观察有裂纹截面试样，裂纹垂直于表面而向内扩展，并从表面至内部由粗到细而逐渐消逝图2(a)o在扫描电镜下可观察到裂纹尾端有分叉图2(b)o对多条裂纹的深度进行测量的结果见表1。(a)裂纹由表向内扩展；(b)裂纹尾端的分叉图2裂纹截面特征去1裂蚊深度测质结果Tmbl«1r#ul

4、tsofcrackchpth裂蚊序号14$67裂观深第Kia0,135Q15E0即O.Q4S01490152007PQ化学成分分析结果TiH«*R»:idtsofchtmwaJanalyih%元索C国耳切MR邕E65次培仃135:甘3.甘QM0.钠S30.M7。加士表3截面金柏纲织L)bk31%打】。学cpbkftruuinTofaction工匕：第口展第孑层有裂，区相氏林川火梅品里氏体+沏小题粒状罚化物及郑升汨ft世矿化枸-找京奥氏体眄火筋晶马氏旅一雏小弥散分布的载粒状谴化物十残余奥氏体性井伏鼻比律-就子里或你再整蚊区域到火器品马氏株-用氏体f晶分呈用状）-raidm也状

5、通比物及前寻捌计状通化物-腾余晏氏体:上降晶w氏体-细小弥触分布的颗粒状嵋优物+残余臭氏钵把针扶丐氏体+残余奥氏体回火马氏体+回火贝氏悚-残余奥氏体j"令氐二世工：1工便;也玉嬖I；住化学成分内套圈化学成分（质量分数，）分析结果见表2。按照我国渗碳轴承钢的技术要求，除碳外，该内套圈属于G20Cr2Ni4钢（我国G20Cr2Ni4钢的碳含量在0.170.23之间）。进口商提供的内套圈成分（）范围为:C0.100.16、Mn0.300.50、Cr1.301.60、Ni3.253.75、Mo低于0.15,该内套圈的化学成分均在进口高提供的成分范围内。1.2 显微组织检验选取轴承内套圈截面试

6、样进行酸浸低倍组织检验，没有发现低倍组织缺陷。对内套圈表面和截面组织进行观察，发现在表层有一层较厚的渗碳层，表明该内套圈经过了渗碳处理。分别选取有裂纹区域和远离裂纹区域的外表面试样，观察表面和截面组织。从截面上看，由表面至心部组织大致可分为4层（表3）o裂纹内无FeO,附近无脱碳特征。在有裂纹区域和远离裂纹区域的外表层，均观察到一层“黑色”组织，但两者有明显的区别：远离裂纹区域的表层组织以回火马氏体居多，屈氏体少数，而有裂纹区域的表层组织以屈氏体居多，回火马氏体为少数；远离裂纹区域的表层“黑色”组织明显比有裂纹区域的薄（图3）,表层"黑色”组织的厚度测量结果见表4。外表面碳化物级别为

7、：粗大碳化物多数为1级，少数为2级；网状碳化物为1级。夹杂物级别为A1.5、D0.5,通过能谱分析，表明夹杂物主要为MnS和少量Al2O38.87%,心部3.6%利用X射线衍射仪测量内套圈外表面和心部的残余奥氏体量，结果为：外表面(a)裂纹区域；(b)远离裂纹区域图3黑色组织特征表4黑色却织厚度测盘结果4«rw;ui*titblacLctrucrin#ihirkn«:在矍坟区域远区城厚度hb52.5,54.2.4?.2>19.S.20.3.257>.一一.5一如加匕Wy；4T二，乏r二个才;“士fl二LZTf可;二：七二匚"彳1HiF=”尤£

8、；丁日工1*T二-/LlC-i1Lfk-t4E®1C-f1.4表面残余应力利用X射线应力仪，选择外表面有裂纹和没有裂纹的同一批轴承内套圈，分别测量表面的残余应力，结果表明均为压应力。2分析讨论2.1裂纹产生阶段根据裂纹表面和截面的特征分析，内套圈外表面上的裂纹有4个规律性特征：裂纹随机分布在外表面的任意部位；裂纹大多数呈放射状，少数呈分散条状，裂纹与磨痕方向呈一定角度或垂直；裂纹在截面上的深度较浅，在0.2mm以内；裂纹垂直于表面向内扩展，并由粗到细逐渐消逝，裂纹末端有分叉。由这些规律可以判断该裂纹属于磨削裂纹，即在磨削过程中产生的裂纹。2.2.1 2.2裂纹产生原因磨削工艺因素该轴

9、承属于大型零件，一般需经渗碳、淬火、高温回火后，再经二次淬火和回火。经过处理后表层组织一般为细小马氏体、一定量碳化物和适量残余奥氏体。通过金相组织观察，发现在出现裂纹的轴承内套圈中，第2层组织符合这种组织特征，但在表层出现了屈氏体。这层屈氏体属于典型的磨削高温回火烧伤组织，即在磨削过程中，由于磨削工艺不当（如磨削过烈、冷却不良等），引起轴承内套圈外表面局部受热（温度在AC1以下），马氏体继续分解转变为屈氏体。在裂纹位置和远离裂纹位置的大量试样均发现了表层屈氏体，说明该内套圈在磨削过程中有高温回火烧伤现象。大量实验和理论分析认为1,由于磨削过程中高温回火烧伤产生的屈氏体组织，会降低材料表面的断裂

10、强度，使表面承受的应力超过材料的断裂强度，从而产生裂纹。高温回火烧伤是否产生磨削裂纹与烧伤程度有关系，如果烧伤轻微，表层屈氏体组织较少，裂纹还不足以产生，反之如果烧伤严重，表层屈氏体组织较多，材料表面断裂强度大大降低，表面拉应力超过承载极限，裂纹将产生。在本文轴承内套圈中，由高温回火烧伤产生的屈氏体组织，在表层分布不均匀，裂纹附近比远离裂纹位置的屈氏体多，说明在烧伤较严重、屈氏体较多的区域材料表面断裂强度降低较多，表面拉应力超过承载极限，从而产生了裂纹。而在烧伤轻微、屈氏体较少的区域，材料表面断裂强度降低较少，表面拉应力还没有超过承载极限，裂纹无法产生。2.2.2 材料因素对于大型渗碳轴承零件

11、，渗层的成分与组织及其在磨削中的变化决定了断裂强度的高低，一般需对马氏体、碳化物、残余奥氏体进行控制：马氏体组织必须细小，因为粗大马氏体的脆性较大，甚至可能存在许多显微裂纹，这种组织易于产生磨削裂纹；严格控制碳化物级别，因为碳化物是脆性相，其断裂抗力低、导热能力差，控制碳化物级别可大大减小磨裂几率；残余奥氏体要少，残余奥氏体的导热性只有马氏体的一半，残余奥氏体量越多，磨削过程中的热应力越大，磨裂倾向也增加。另外，渗碳轴承钢技术条件中还对低倍组织、夹杂物等进行了规定。此次分析的轴承内套圈，材料检验可以归纳为：酸浸低倍检验没有发现内套圈有低倍组织缺陷；化学成分符合大型零件渗碳轴承钢的要求；外表面的表层和次表层均为细小马氏体，马氏体组织致密，没有发现内部显微裂纹，马氏体组织符合大型零件渗碳轴承钢的要求；碳化物和夹杂物级别在渗碳轴承钢控制范围内；表面残余奥氏体较少。这些表明磨削前的材料和热处理工艺不是导致裂纹产生的原因。因此，此次轴承内套圈产生外表面裂纹的原因是磨削工艺不当。产生裂纹的过程大致可描述为：磨削过程中由于磨削工艺不当（如磨削过烈、冷却不良等），产生摩擦热，引起轴承内套圈外表面局部受热，表面组织产生高温回火烧伤，