大型轴承表面裂纹原因分析

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辊轴承，内套圈外径<990mm，内径<900mm，宽度420mm。轴承内套圈与支承辊装配采用热装工艺，在油箱中将轴承内套圈加热到166℃，保温25min，取出后迅速装到支承辊上。热装后，对轴承内套圈表面进行最后的磨削，保证内套圈与支承辊的同心度。

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 检验与结果

1.1 裂纹特征

1.1.1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“×”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)]。

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，裂纹与磨痕方向呈一定角度或垂直[图1(b)]。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)]。

(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)]。在扫描电镜下可观察到裂纹尾端有分叉[图2(b)]。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

1.2 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0.17～0.23之间)。进口商提供的内套圈成分(%)范围为：C0.10～0.16、Mn0.30～0.50、Cr1.30～1.60、Ni3.25～3.75、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。

1.3 显微组织检验

选取轴承内套圈截面试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)。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：①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；②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：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Al2O3。

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8.87%，心部3.6%。

(a)裂纹区域； (b)远离裂纹区域

图3 黑色组织特征

1.4 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：①裂纹随机分布在外表面的任意部位；②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；③裂纹在截面上的深度较浅，在0.2mm以内；④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 裂纹产生原因

2.2.1磨削工艺因素

该轴承属于大型零件，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A c1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，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：①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；②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；③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：①酸浸低倍检验没有发现内套圈有低倍组织缺陷；②化学成分符合大型零件渗碳轴承钢的要求；③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；④碳化物和夹杂物级别在渗碳轴承钢控制范围内；⑤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，马氏体分解转变为屈氏体；表层屈氏体组织使材料表面断裂强度降低，尤其在表层屈氏体组织较多的区域，材料表面断裂强度降低较多，在磨削应力和组织应力的作用下，材料表面拉应力超过承载极限，产生了磨削裂纹。

3 结论

(1)轴承内套圈外表面上产生的裂纹属于磨削裂纹。

(2)轴承内套圈外表面裂纹产生的原因是由于磨削工艺不当，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。