特大型軸承外圈早期失效原因分析
2019-09-28 李貴方、楊爭(zhēng)、曾朝凡
（洛陽(yáng)LYC軸承有限公司、航空精密軸承國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）
某軸承用戶(hù)反映有一套特大型雙列調(diào)心滾子軸承軸承在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)外圈滾到出現(xiàn)早期失效，該套軸承圈用于水泥立磨輥，工作環(huán)境較差。該型號(hào)材料為GCr15SiMn鋼，其加工工藝過(guò)程為：φ300mm原材料進(jìn)廠(chǎng)超聲波探傷→下料段→鍛造成形→球化退火→車(chē)加工→熱處理→探傷→磨削加工→探傷→裝配入庫(kù)?，F(xiàn)筆者對(duì)其進(jìn)行理化檢驗(yàn)分析，找出失效原因。
1.理化檢驗(yàn)
（1）宏觀(guān)檢驗(yàn)
外圈經(jīng)氣割取樣，滾道面整體有摩擦磨損現(xiàn)象，局部區(qū)域有不規(guī)則孔洞，其形貌如圖1所示，除此以外未發(fā)現(xiàn)其他異常。
圖1 外圈滾道面宏觀(guān)形貌
?。?）化學(xué)成分分析
對(duì)外圈進(jìn)行取樣，大小為15mm×15mm×15mm，采用直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示，其化學(xué)成分符合GB/T18254—2016中GCr15SiMn標(biāo)準(zhǔn)要求。
表1 外圈的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）
（3）金相檢驗(yàn)
首先，低倍觀(guān)察。制取孔洞部位斷口試樣口后觀(guān)察，可見(jiàn)斷口表面粗糙，上有閃閃發(fā)光的晶粒棱面，除此以外，還分布有孔洞，俗稱(chēng)“豆腐渣”斷口，其斷口形貌如圖2a所示。
制取試樣任意截面后低倍觀(guān)察，可見(jiàn)表面有大量孔洞分布，邊緣呈尖角狀，個(gè)別孔洞深不見(jiàn)底，其外觀(guān)形貌如圖2b所示。
圖2
其次，金相觀(guān)察。制取孔洞部位截面金相試樣后在OLYMPUSGX51顯微鏡下觀(guān)察，可見(jiàn)截面上有大量不規(guī)則尖角狀孔洞分布，邊緣有氧化，個(gè)別孔洞深不見(jiàn)底，其金相形貌如圖3所示。
圖3 孔洞截面處金相形貌
最后，掃描電鏡斷口分析。制取孔洞部位斷口后，在JSM-6610LV掃描電鏡下觀(guān)察，可見(jiàn)斷口上分布有大量有尖角狀孔洞，孔內(nèi)局部有金屬熔融形貌，如圖4所示。
圖4 孔洞顯微形貌
?。?）材料及熱處理質(zhì)量檢測(cè)
制取外圈縱橫截面金相試樣后，在光學(xué)顯微鏡下觀(guān)察，依據(jù)材料標(biāo)準(zhǔn)GB/T18254—2016及熱處理標(biāo)準(zhǔn)JB/T1255—2014進(jìn)行評(píng)定，檢測(cè)結(jié)果分別如表2、表3所示，以上檢測(cè)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
表2 外圈材料質(zhì)量檢測(cè)
表3 外圈熱處理質(zhì)量檢測(cè)
2.分析討論
通過(guò)對(duì)該套圈宏觀(guān)檢驗(yàn)、成分分析、金相檢驗(yàn)以及材料與熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)，認(rèn)為該套圈表面缺陷為過(guò)燒孔洞，可以確定該套圈存在過(guò)燒現(xiàn)象。
經(jīng)查，對(duì)該批套圈棒料進(jìn)廠(chǎng)檢驗(yàn)時(shí)未發(fā)現(xiàn)原材料缺陷，由此可以確定該孔洞為鍛造過(guò)程中形成的。
軸承套圈在鍛造時(shí)如果加熱溫度超過(guò)工藝溫度的上限，在此溫度保溫時(shí)間又很長(zhǎng)，則材料會(huì)過(guò)熱，嚴(yán)重時(shí)過(guò)燒，不但表面層金屬晶界被氧化開(kāi)裂，而且金屬內(nèi)部成分偏析較嚴(yán)重的區(qū)域，晶界也開(kāi)始熔化，形成尖角狀洞穴。在這種狀態(tài)下進(jìn)行鍛造，材料受到重錘的鍛打，使工件產(chǎn)生撕裂，形成較大的孔洞，此種缺陷大部分出現(xiàn)在倒角、端面和內(nèi)徑上。鍛造過(guò)燒套圈的表面形態(tài)如桔子皮，上面分布有細(xì)小的裂縫和很厚的氧化皮。
由于套圈存在過(guò)燒孔洞，過(guò)燒組織破壞了晶界，極大地割裂了基體的連續(xù)性，降低材料的強(qiáng)度和塑性，增加脆性。由于套圈鍛造后表面有很厚的氧化皮，在該工序很難發(fā)現(xiàn)過(guò)燒現(xiàn)象，只有在車(chē)加工或者磨加工后才可能顯現(xiàn)出過(guò)燒特征。
3.結(jié)論及建議
?。?）該外圈存在嚴(yán)重的過(guò)燒孔洞是造成外圈早期失效的直接原因。
?。?）過(guò)燒孔洞主要形成于套圈鍛造前加熱過(guò)程，由于加熱爐“跑溫”、操作人員沒(méi)有嚴(yán)格執(zhí)行工藝規(guī)程等原因?qū)е录訜釡囟雀哂诠に嚋囟壬舷蓿瑧?yīng)該通過(guò)定期校準(zhǔn)爐溫曲線(xiàn)、操作人員嚴(yán)格執(zhí)行工藝規(guī)程，嚴(yán)查工藝紀(jì)律等手段降低過(guò)燒概率。
（3）增加探傷工序，宜采用熒光磁粉進(jìn)行探傷，使缺陷顯示更為清晰，麻點(diǎn)孔洞為鍛造過(guò)燒缺陷所致，發(fā)現(xiàn)過(guò)燒套圈，應(yīng)立即報(bào)廢。
來(lái)源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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