G20Cr2Ni4A鋼滲碳軸承滾子斷裂失效分析

鄒龍江　周全　高路斯

（大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）

摘　要：經(jīng)表面先滲碳再淬火、回火處理后的G20Cr2Ni4A 鋼軸承滾子在試車(chē)約2h后斷裂。采用金相顯微鏡、維氏硬度計(jì)、掃描電鏡、X熒光光譜儀等檢測(cè)手段對(duì)該軸承滾子的開(kāi)裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，該軸承滾子顯微組織、化學(xué)成分、硬度及滲碳層厚度等均合格；軸承裝配時(shí)，工作輥軸線(xiàn)與支承輥軸線(xiàn)不平行造成軋機(jī)在運(yùn)行時(shí)軸向力過(guò)大，導(dǎo)致軸承滾子開(kāi)裂失效。

關(guān)鍵詞：G20Cr2Ni4A 鋼；滲碳；軸承滾子；斷裂失效

某軋鋼廠(chǎng)使用的軋機(jī)支撐滾動(dòng)軸承型號(hào)為3806/711.2-XRS/HCS/HCEP69，軸承滾子材質(zhì)為G20Cr2Ni4A鋼，屬于優(yōu)質(zhì)低碳合金滲碳鋼。在軋機(jī)廠(chǎng)裝車(chē)空載運(yùn)行2h后，滾體沿軸向發(fā)生斷裂，滾體表面有嚴(yán)重的擠壓變形和脫落現(xiàn)象。該滾子為內(nèi)空心圓柱錐體，內(nèi)支架圓孔直徑為 Φ14mm，滾體兩端直徑分別為 Φ48mm 和 Φ50mm ，呈柱狀錐體形態(tài)。失效開(kāi)裂的滾體內(nèi)孔表面出現(xiàn)深約 5mm 沿軸向的貫通長(zhǎng)裂紋。該滾體的加工工藝為：鍛造→車(chē)削加工→934℃滲碳→870℃直接淬火→600℃高溫回火→空冷→810℃二次淬火→155℃低溫回火→磨削加工[1]。

1　失效件宏觀(guān)形貌及理化檢驗(yàn)方法

失效軸承宏觀(guān)形貌如圖1所示，可見(jiàn)損壞嚴(yán)重的是兩列滾子的其中一列，另一列滾子完好無(wú)損。送檢的開(kāi)裂滾子表面存在較多的表皮脫落擠壓痕跡，內(nèi)孔中有一條深約 5mm 的沿滾子軸向的貫通長(zhǎng)裂紋(如圖2中箭頭所指位置) 。

在開(kāi)裂滾子一端裂紋附近處，用線(xiàn)切割方法沿徑向切取金相試樣，取滾子橫截面為組織觀(guān)察面，試樣為長(zhǎng)20mm的半圓柱型。金相試樣用酒精清洗并干燥， 經(jīng)機(jī)械打磨和拋光后用4%硝酸酒精溶液腐蝕，用萊卡MEF-4金相顯微鏡觀(guān)察顯微組織和碳化物分布形態(tài)，以確定組織是否合格及網(wǎng)狀碳化物是否超標(biāo)。采用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡觀(guān)察軸承滾子斷口形貌。應(yīng)用碳硫分析儀和XＲF-1800型X熒光光譜儀分析試樣的化學(xué)成分，確定其成分是否合格。采用維氏硬度計(jì)測(cè)試斷裂滾子的硬度，加載載荷為100g，持續(xù)時(shí)間為15s，在經(jīng)機(jī)械磨拋后的金相試樣上，沿徑向由外向里至中心測(cè)其硬度，以確定硬度是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求[2-3]。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 組織分析

圖3為G20Cr2Ni4A鋼軸承滾子的顯微組織照片。由圖3(a)可知，該滾子滲碳層熱處理組織為：回火細(xì)小針狀馬氏體+粒狀碳化物，依據(jù)JB/T8881—2001《滾動(dòng)軸承零件滲碳熱處理技術(shù)條件》要求，熱處理淬火組織合格，評(píng)定為2級(jí)；網(wǎng)狀碳化物合格，評(píng)定為1級(jí)。顯微組織中未發(fā)現(xiàn)有夾雜物和其它缺陷。由圖3(b)可知，未滲碳部分的淬火組織為板條狀馬氏體形態(tài)，符合G20Cr2Ni4A鋼淬火組織特征[4]，組織合格，且同樣未發(fā)現(xiàn)夾雜物和其它缺陷。

2.2 化學(xué)成分分析和硬度測(cè)試

為確定材料的化學(xué)成分是否合格，采用碳硫分析儀和X熒光光譜儀分析送檢滾子試樣的化學(xué)成分，化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1。分析結(jié)果表明，化學(xué)成分符合G20Cr2Ni4A鋼標(biāo)準(zhǔn)GB/T3203—1982《滲碳軸承鋼技術(shù)條件》要求。

在金相拋光面上，沿滾子徑向由外向里從1mm處每隔0.5mm交叉測(cè)試維氏硬度值(HV0.1) ，結(jié)果表明: 滾子滲碳層厚度≥2.5mm，符合GB/T3203—1982《滲碳軸承鋼技術(shù)條件》和JB/T8881—2001《滾動(dòng)軸承零件滲碳熱處理技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)要求，滾子滲碳層合格。硬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

2.3 軸承滾子斷口形貌分析

通過(guò)掃描電鏡對(duì)送檢開(kāi)裂滾子的斷口進(jìn)行觀(guān)察，結(jié)果見(jiàn)圖4。斷口呈典型的脆性開(kāi)裂特征，為多源斷裂，起始于滲碳層脆性區(qū)域，源區(qū)上有發(fā)散皺褶線(xiàn)，可以觀(guān)察到有多條發(fā)散擴(kuò)展臺(tái)階存在，屬于正常斷口形貌特征[5]。

3　討論與建議

根據(jù)上述分析可知，送檢滾子的顯微組織、化學(xué)成分、硬度及滲碳層厚度等均合格，結(jié)合失效軸承四列滾子中只有一列滾子損壞嚴(yán)重的情況分析，可以確定該列滾子在使用時(shí)受力較大。據(jù)文獻(xiàn)介紹，在機(jī)器組裝過(guò)程中當(dāng)軸承安裝精度不高時(shí)，軸承就會(huì)受到較大的軸向力作用，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)過(guò)大的軸向力直接傳遞到滾道與滾子表面，滾子受擠壓時(shí)造成滾子內(nèi)孔處有較大的拉應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力集中超過(guò)材料的屈服極限時(shí)，便在此處萌生裂紋進(jìn)而造成早期快速失效開(kāi)裂[6-7]。本案例軸向力過(guò)大的原因有可能是裝配軸承時(shí)和軋機(jī)軸承安裝時(shí)，裝配和安裝精度不高，造成工作輥軸線(xiàn)與支承輥軸線(xiàn)不平行、軋機(jī)運(yùn)行中軸向力過(guò)大導(dǎo)致軸承失效[8]。

建議在裝配軸承和軋機(jī)軸承安裝時(shí)，提高工作輥與支承輥、軸承間的安裝精度以減少軸承受力不均，消除軸向力以避免軸向力過(guò)大而導(dǎo)致軸承失效。

（來(lái)源：金屬熱處理）