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軸承保持架斷裂原因分析

2013-11-11

梁華　張延芳　梁林霞
（洛陽軸承研究所，河南洛陽　200331）
　　63/28軸承保持架形態為沖壓浪形，材料為08鋼，零件表面經氣體氮碳共滲處理。常規工藝為：加熱到570℃，保溫3-4h，油冷或水冷。裝配成套的軸承保存一段時間后部分軸承保持架發生斷裂，其它零件均無異常。觀察斷口發現斷裂位置都在鉚釘鉚合部位，為此對斷裂原因進行了分析。
　　1　檢驗
　　從斷裂保持架的軸承中任意抽取兩套進行分析，編號分別為1號和2號。
　　1.1 保持架的金相組織
　　軸承保持架的金相檢查在日本MG型顯微鏡下進行，腐蝕劑采用4%硝酸酒精溶液。其氮碳共滲層深度、表層及心部金相組織見表1及圖1。
表1 斷裂保持架金相檢驗結果


圖1 氮碳共滲保持架金相組織 ×500
（a）心部組織；（b）1號保持架共滲層；（c）2號保持架共滲層；（d）2號保持架邊角效應　（×100）
　　分析金相檢驗的結果可知：①保持架表面經氮碳共滲處理后氮原子已滲透，在提高表面硬度的同時，心部組織也發生了改變，見圖1a。②從圖1b和1c可以看出，氮碳共滲層（ε相和ν′相）過深，且存在不同程度的疏松和一定厚度的黑色帶狀組織，2號保持架更為嚴重。③2號保持架的滲氮層存在明顯的不均勻現象和邊角效應（見圖1d）。
　　1.2 保持架的硬度
　　保持架的表層及心部硬度檢測結果見表2。從表2可以看出：兩件保持架的表面硬度值相差較大，根據金相檢驗結果推測，其數值差別可能是由于2號試樣氮碳共滲層疏松較為嚴重，厚度不均勻以及制樣時磨削量偏大，而黑色帶狀組織又較厚等多種原因所致。
表2 保持架表面及心部硬度
　　2　結果分析與討論
　　2.1 氮碳共滲層深度
　　氮碳共滲層主要由Fe2-3N（ε相）和（ν′相）組成，硬度較高，因而提高了零件的疲勞強度和表面的耐磨性、抗蝕性能等[1]。按照工藝要求，氣體氮碳共滲層深度應為0.005-0.012mm，而該批保持架的氮碳共滲層深度已達0.050mm，其主要原因可能是氮碳共滲溫度較高且時間較長。氮碳共滲溫度對化合物層硬度、滲層深度以及表面硬度有很大的影響，隨著氮碳共滲溫度的升高，化合物層厚度增加。另外，氮碳共滲溫度對化合物層的不均勻性和疏松程度也有影響：溫度愈高，疏松層愈厚，疏松程度也愈嚴重[2]，氮碳共滲處理的效果就會受到較大的影響。ε相為脆性相，極易崩落，而過深的白亮層（ε相和ν′相）必然導致保持架的脆化。
　　2.2 黑色組織
　　黑色組織是氮碳共滲層的缺陷組織，有資料認為是一種空洞，可能是由于內氧化而產生的氧化物。它一般僅分布于零件表面深度很淺的范圍內。黑色組織的存在會降低零件表面的致密度，影響耐磨性能，且易于剝落，甚至發生斷裂[1]。該批軸承保持架出現黑色組織是氮碳共滲溫度偏高的結果，共滲時間愈長則黑色帶愈寬，故硬度降低。從表1和表2可以推斷出2號保持架氮碳共滲過熱時間比1號長，因而白亮層及黑色帶狀較寬、不均勻并存在明顯的邊角效應（見圖1c和1d），另外表面硬度也較低。
　　2.3 擴散層及心部組織
　　碳鋼氮碳共滲后出爐快冷，在金相顯微鏡下觀察其擴散層，與氮碳共滲前無明顯差別。這是由于在氮碳共滲溫度下滲入到擴散層中的氮均固溶于α-Fe中，在隨后油冷時成為過飽和氮的α-Fe固溶體，因而看不出擴散層的深度。必須再在300℃下回火1-2h，促使氮由過飽和α-Fe中析出形成Fe4N（又稱ν′相）針狀分布在鐵素體基體上，才能測得一定深度的氮化擴散層。但值得強調的是，在生產中采用回火法僅僅是為了顯示擴散層的深度，對產品零件不宜采用回火處理，因為氮從α-Fe中脫溶后，會引起疲勞強度的下降，同時還增加了脆性[3]。據金相分析，該批軸承保持架不僅已氮碳共滲滲透至心部，而且還經歷了類似于回火的過程，使鐵素體基體上析出了黑色針狀ν′相，見圖1a和1d。
　　2.4 保持架的應力
　　沖壓成型的保持架具有一定的冷加工應力，經氮碳共滲后必然會疊加一定的組織應力和熱應力，尤其是保持架的鉚釘鉚合處。由于該部位冷沖壓變形比較大，再加上鉚釘鉚合時所造成的應力使得該部位存在較大的殘余應力，造成了應力集中。當保持架由于某種原因脆性增大時，材料的強度低于殘余應力，保持架就會發生開裂，從而導致軸承早期失效。
　　2.5 關于保持架表面處理工藝的討論
　　由于目前國內尚無軸承保持架表面處理技術條件的標準，給分析工作造成了一定的困難。據文獻[4]介紹，同種類型（成分、尺寸相近，經過氮碳共滲處理）的日本保持架，其氮碳共滲層深度為0.0075mm，表面硬度及心部硬度分別為696HV0.01和171HV0.01。比較而言，該斷裂保持架的滲層過深（約是日本的6倍），表面硬度偏低，而心部硬度值又偏高。結合金相組織檢查和分析結果，可以確定斷裂保持架的表面處理工藝確實存在諸多不足，如氮碳共滲溫度過高、冷卻速度較慢等。不合理的氮碳共滲工藝必然會影響保持架的使用性能和壽命。
　　3　結論及建議
　?。?）保持架氮碳共滲工藝不合理，致使滲層過深、表層硬度過低而心部硬度太高，且存在黑色帶狀組織，增加了保持架的脆性，導致開裂。
　?。?）擴散層析出的黑色針狀組織是由于保持架氮碳共滲冷卻速度較慢，而黑色帶狀組織的出現是由于氮碳共滲溫度偏高造成的，2號保持架更嚴重一些。
　?。?）軸承保持架多在鉚釘鉚合部位開裂是由于此處應力大且比較集中，更易使脆化的保持架開裂。
　?。?）建議調整工藝并嚴防氮碳共滲溫度過高，以避免不必要的損失。
　　參考文獻：
　　[1]上海市機械制造工藝研究所.金相分析技術[M].上海:上海科學技術文獻出版社,1987:522-523.
　　[2]柳祥訓,等.化學熱處理問答[M].北京:國防工業出版社,1991:133.
　　[3]上海交通大學《金相分析編寫組》.金相分析[M].北京:國防工業出版社,1982:311
　　[4]洛陽軸承研究所.摩托車發動機曲軸軸承保持架表面處理技術研究及應用[R].1999.
來源：《金屬熱處理》2005年第30卷第3期