宋正會1 張國濱2 李（lǐ）海（hǎi）剛2
（1.淩鋼（gāng）集團質量部，遼寧淩源 122504；2.歐波同蔡司電鏡Demo實（shí）驗室， 北京 100020）
摘 要：通過蔡司掃描電子（zǐ）顯微鏡及能譜儀測試分析了E2330軸承（chéng）內（nèi）套滾道剝落的原因。結果表明：由於E2330軸承內套成分不均，引起軸套（tào）內局（jú）部的碳、鉻元素濃度的偏高，形成大量大塊呈圓形碳（tàn）化物、淬火組織和殘餘應（yīng）力的分（fèn）布不均勻即增加了（le）基體脆性，導致（zhì）了E2330軸承內套早期剝落失效。
關鍵詞：軸承滾道；剝落（luò）；碳化物；應力
軸承（chéng）內套在工作中往往會由於結構設計不合理，材料質量差（chà）、性能低，工作表麵的缺陷、衝擊、振（zhèn）動、安（ān）裝不當和潤滑不良等原因，造成軸承早期失效。有關資料[1]表明軸承材（cái）料問題（tí）和使用不（bú）當造成（chéng）的軸承早期失效（xiào），要占到（dào）軸承失效事故總（zǒng）量的90%以上。
某公（gōng）司生產的E2330軸承內套滾道，在使用（yòng）過程中出現軸承（chéng）內套滾道早期剝落失效（xiào）現象，在反複的滾動和滑動作用下，軸承和軸承套圈接觸表層和表麵將出現疲勞。重複性的（de）加載、卸載循環會產生表層變形和表麵裂紋，超過一定循環次數（shù）後，表麵Z終剝離出碎片，在表麵上留下凹坑，它們被稱為點蝕或剝落坑。Ø300mm GCr15軸承鋼內套在滾道處發生較大麵積的剝落，因在剝落後機器仍在運轉（zhuǎn），軸承內套滾（gǔn）套在（zài）軸承反複的滾動和滑動作用下，剝落坑斷（duàn）裂原始麵貌已經麵目全（quán）非，坑底表麵十分光（guāng）滑，給分析剝落原因帶（dài）來較大（dà）困難，為此（cǐ），筆者采取綜合分（fèn）析方法，在蛛絲馬跡中尋（xún）找可疑的信息，在剝離處中心沿縱（zòng）向切開，進行掃（sǎo）描（miáo）電鏡及能譜分析（xī），以尋求失效根本原因。
1 蔡司掃描電子顯微鏡及能譜儀測試分析
1）在剝離處中心沿（yán）縱（zòng）向切開，進（jìn）行（háng）掃描電鏡觀察；經（jīng）拆套後發現鋼球、保持架以及外套都完好無損，隻有軸承的內（nèi）套滾道撕裂（liè）剝離，剝離坑呈V字形，剝離坑底部光滑，坑的上下各有一處凸起及二次裂紋，如圖1、2所示。
（a）軸承內套滾道撕裂剝落的宏觀形（xíng）貌（mào）； （b）軸承內套滾（gǔn）道剝落小顆粒（lì）形貌（mào）。
圖1 軸承內套滾道剝離形貌
圖2 掃描電鏡軸承內（nèi）套滾道的碳化物組織（zhī）
2）在（zài）軸承內套滾道上取樣，試樣經磨拋後，經4%硝酸酒精溶液腐蝕後（hòu），在蔡司掃描電子顯微鏡觀察剝離部位附近的縱向麵上存在較多的大塊呈圓形碳化物，不均勻分（fèn）布，如圖2（a）、（b）、（c）、（d）所示；碳（tàn）化物組織顆粒邊緣的微裂紋形（xíng）貌（mào），如圖2（e）、（f）所示。大塊圓形碳化物、碳化物（wù）組織顆粒邊緣的微裂紋形貌，使熱處理後軸承套的使用性能變差、壽命變短；軸承內套滾道熱處理工藝為：845℃淬火、油冷，200℃回火。
3）在原始軸承內套滾道（dào）上取樣，經過酒精清洗（xǐ）後，在蔡司掃描電子顯微（wēi）鏡觀察原始軸承內套滾道剝離形貌中，發現（xiàn）多處剝離一次裂紋及二次（cì）裂紋，如（rú）圖3（a）、（b）所示；在軸（zhóu）承內圈滾（gǔn）道底（dǐ）部剝落塊觀察到的接觸疲勞輪胎狀條紋形貌，在疲勞裂紋開裂（liè）後的斷口相對麵上，在規則的往複推壓時，由相對麵上的尖刃，大顆粒碳化物質點反複擠壓或（huò）刻入形成壓痕（hén），這些壓痕與（yǔ）汽車輪胎在泥（ní）地（dì）上的壓痕十分相似，因此成（chéng）為輪胎（tāi）壓痕，如圖3（c）所（suǒ）示；在軸承內圈滾道（dào）底部觀察到的接觸疲勞（láo）剝落塊形貌，如圖3（d）所示。
圖3 軸（zhóu）承內套滾道的剝（bāo）落裂紋（wén）形貌
4）對（duì）經4%硝酸酒精溶液腐蝕後試（shì）樣進行蔡（cài）司掃描電子顯微鏡結合能譜，進行能譜測試，發現顯微組織中碳化物中大量存在強碳化物元素，表明軸承內套在進行回火時碳化物不能充分分解，並其中任（rèn）意一個碳化物進行能譜分析，分析表明碳化物中含有大量的強碳化物形成元素，進而推理（lǐ）軸套存在合金元素（sù）分（fèn）成偏（piān）析，結果如圖4所示。
圖4 軸承內套滾道的碳化物能譜分析
2 討論與分析
從掃描電鏡觀察到的剝落塊疲勞條紋特征得以證實，軸承內套在滾道處發生較大麵（miàn）積的剝落，屬於在交變應力作用下的疲勞磨損斷裂。試驗證實，疲勞磨損（sǔn）剝落是由（yóu）4個連續過程形成。
1）在壓力P作用下，除在接觸表麵（miàn）產（chǎn）生拉應力（lì）外，在載荷（hé）點的下方（fāng）還存在剪切（qiē）應力，在交變剪切應力作用（yòng）下，使表層產生（shēng）周期性變形（xíng）和位錯行為。
2）在碳化物、組織應力集中的影響下（xià），微小裂紋或空穴在變形中形成並不斷積聚。
3）在金屬產生塑性剪切變形時，裂紋在近乎與（yǔ）表麵平行（háng）的方向上擴展（zhǎn）。
4）當裂紋擴展到表麵（miàn）時便形（xíng）成薄片剝離層而Z終剝離下來；Z終軸承內套滾道發生早期失效分析。
GCr15軸套中一次碳化物是產生疲勞磨損斷裂的根源，掃描電鏡都觀察到剝離部位附近的縱向麵上存在較多的大塊（kuài）呈圓形碳化（huà）物，這種碳化物也叫做液析碳化物，其來源於GCr15鋼材的冶煉和連（lián）鑄或模鑄過程；軸承鋼因化（huà）學成分的高碳、質量分（fèn）數為1.5%左右的Cr，在凝固過程中遵循相律和選分結晶的自然規律，鋼液Z終凝固時在樹枝（zhī）狀晶之間凝固析出（Fe，Cr）3C及Cr7C3大顆粒碳化物，即碳化（huà）物液析。這種（zhǒng）碳化物屬於三角晶係，其硬度和脆性極高，易與奧氏體形成亞穩態萊氏（shì）體共晶產物，是碳化物不均勻性（xìng）中危害Z大的（de）一種，其破壞性要遠遠大於點狀不變形夾雜物和氧化物夾雜。液析（xī）碳化物破壞了軸套性能的連續性，使用過程（chéng）中在交變載荷、衝擊載荷的作用（yòng）下，液析碳化物處極易產生應力集中，而（ér）且由於液析（xī）碳化物和基體（tǐ）的熱膨脹係數不同，在壓力加工（gōng）過程中或零件熱處理（lǐ）時（shí），在液（yè）析碳化物和基體的界（jiè）麵上易形成初始微裂紋、初始（shǐ）微裂（liè）紋是軸承（chéng）疲勞磨損斷裂的裂紋源和產生疲勞剝落的根本原因（yīn）。
蔡司掃（sǎo）描（miáo）電子（zǐ）顯（xiǎn）微鏡結合（hé）能譜，進行能譜分（fèn）析測（cè）試（shì），表明碳化物中強（qiáng）碳化物形成元素（sù）Cr、Mn元素含量過高，從而表（biǎo）明軸承內套存在成分偏析現象，在隨後的熱處理過程中改變相圖C曲線位置，使組織（zhī）相變不能同時發生，形成大量呈圓形的碳化物、淬火組（zǔ）織和殘餘應力的（de）分（fèn）布不均勻，即增加了（le）基體脆性，削弱了晶粒與晶（jīng）粒、晶粒與基體（tǐ）以及基體與基體之間的接合力；在（zài）Cr、Mn元（yuán）素含量過高區域形（xíng）成大塊狀碳（tàn）化物，存在大量大塊狀碳化物，碳化物硬度很高，塑性（xìng）、韌性幾乎（hū）為零，脆性很大。在反複的滾動、滑動、重複性（xìng）的（de）加載和（hé）卸載（zǎi）循環作用，軸承和軸承套（tào）圈接觸表層和表麵為（wéi）疲勞作（zuò）用（yòng）情況下，碳化物、組織及殘餘（yú）應力導致（zhì）軸套微裂紋產生，超過一定循環次數後，微裂紋進一步擴展到軸套表麵，Z終軸套表麵現剝離碎片及（jí）產生裂（liè）紋，導致軸套早期（qī）失（shī）效（xiào）。
綜上所述，E2330軸承內套滾道在交變剪切應力（lì）作（zuò）用下，大（dà）顆粒液析碳化物及組織應力（lì）部均勻分布成為疲勞磨損斷裂的裂紋源並產生微（wēi）裂紋，這些微（wēi）裂紋擴展到一定程度（dù）時，連（lián）接（jiē）在一起，造成E2330軸承內套滾道剝落失效。
3 改進措施
1）E2330軸承內套原材料GCr15在（zài）生產上，首（shǒu）先應從冶（yě）煉（liàn）澆（jiāo）鑄工藝著手，盡Z大可能降低成分偏析程度，控製GCr15鋼中碳化物（wù）的形狀和尺寸；然後在加（jiā）工工序采取合理的擴散處理措施（shī）。就軋（zhá）鋼工序而言，提高加熱溫度（dù），延長加熱時間，是消除液析碳化物的有效途徑之一。
2）在E2330軸承內套熱（rè）處理工藝上，加熱要（yào）充分，爐溫要均勻，合理提高奧氏體化熱處理溫度、延長奧氏體（tǐ）化時間、適當提高（gāo）相變冷卻速度；從而達到成分擴散均勻，抑製大塊碳化物析出、避免熱處理相變時組織應力產生，是防止E2330軸承內套（tào）滾道剝落早（zǎo）期失效的重要途（tú）徑。
4 結論
E2330軸承內套滾道（dào）剝落的原因是軸承滾道顯微組織存在大量大塊狀呈圓形碳（tàn）化物、淬火組織和殘餘應（yīng）力的分布不均勻性。
參考文獻：
[1]雷建中.國內外軸承失效（xiào）分析[C]第九屆南通——洛（luò）陽暨華（huá）東軸承熱處理技術交流會論文集.南通;2007.
來源：《物理測試》第30卷第6期 2012年11月
