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叉車軸承CW309外圈裂紋分析

2013-09-26

李莉萍　錢曉光
（東莞市TR軸承有限公司，廣東東莞　523009）
　　摘　要：采用理化分析的方法，對叉車軸承CW309外圈產生裂紋的原因進行了分析，結果表明，磨加工時因磨削燒傷產生的磨削裂紋和材料缺陷（顯微孔隙）是引起CW309外圈開裂的主要原因。
　　關鍵詞：滾動軸承；叉車軸承；外圈；磨削裂紋；顯微孔隙
　　叉車軸承CW309在裝配過程中發現外圈有裂紋現象，其中有一件外圈已經斷裂。為了查清外圈裂紋的性質和產生原因，對合套CW309軸承的外圈（編號為1#）和一塊CW309斷裂外圈試樣（編號為2#）進行理化檢驗分析，以查找該批軸承外圈產生裂紋的原因。
　　1　宏觀檢查與分析
　　樣品宏觀形貌見圖1。1#外圈上有一條沿軸向的裂紋，該裂紋貫穿外徑表面和端面，并從兩端面向外內徑和滾道面延伸。
　　2#斷裂外圈的斷裂方向沿軸向，斷口中部晶粒較為粗大（圖2）。
　　2　理化檢驗
　　2.1 化學成分分析
　　采用Spector M9型直讀光譜儀對軸承外圈的化學成分進行分析，并根據GB/T 18254-2002標準進行評定，其主要元素分析結果見表1。
　　化學成分檢驗結果表明，該批軸承外圈是由GCrl5鋼制造而成，其主要元素符合相關標準要求。
　　2.2 硬度檢驗
　　在洛氏硬度計上對CW309軸承外圈進行硬度檢驗，并按照JB/T 1255-2001標準進行評定，結果見表2。由測試結果可知，1#外圈的裂紋兩側硬度值偏低且不均勻，2#外圈硬度值也偏低，均不符合標準要求。
　　2.3 冷酸洗檢驗
　　依據JB/T 1255-2001標準中的冷酸洗檢驗規程對CW309軸承外圈進行冷酸洗檢驗。經檢驗發現，1#和2#外圈的端面均存在不同程度的燒傷現象（圖3）；另外，兩外圈的外徑表面也都存在沿圓周方向的砂輪花狀燒傷現象（圖4）。
　　2.4 熱酸洗檢驗
　　依據JB/T 1255-2001標準中的熱酸洗檢驗規程對兩個CW309軸承外圈進行熱酸洗檢驗。檢驗發現1#外圈的裂紋已貫穿整個壁厚（圖5）；套圈的一側端面裂紋呈現為S形和Y形（圖6），其他區域均未發現裂紋，且材料致密。2#外圈材料的致密性較差并存在嚴重的顯微孔隙（圖7）。
　　2.5 金相檢驗
　　2.5.1 原材料及淬回火組織
　　從送檢的兩件外圈上各切取金相試樣，經磨制后放置在顯微鏡下對其原材料及淬回火組織進行檢驗，評定標準分別采用GB/T 18254-2002和JB/T 1255-2001，腐蝕劑采用4％硝酸酒精，檢驗結果見表3。檢驗結果表明，CW309外圈的原材料質量及淬回火組織均符合相關標準要求。
　　2.5.2 顯微觀察
　　（1）1#外圈。在1#外圈裂紋處取樣，經磨制腐蝕后放置在金相顯微鏡下觀察確定，裂紋兩側無脫貧碳現象，但發現兩端面均存在不同程度的磨削燒傷變質層，其中一側端面局部還存在二次淬火燒傷變質層（圖8），變質層Z深處約0.3 mm。
　　（2）2#外圈。將2#外圈沿縱向切割取樣，在磨制過程中發現縱截面中部存在不同程度的顯微孔隙（圖9）。依據GB/T 6394-2002標準對2#圈進行晶粒度評定，發現孔隙周圍的晶粒度與其他區域的晶粒度無明顯區別，平均晶粒度在8級左右。
　　2.6 掃描電鏡分析
　　采用JSM-5610LV掃描電子顯微鏡對2#外圈的斷口和磨面進行觀察和分析，結果發現，外圈的斷口粗糙處晶粒粗大，呈冰糖狀（圖10）。磨面上孔隙呈不規則尖角狀（圖11），孔隙內的形貌特征與斷口相似。由此可以確定，材料的顯微孔隙是由于局部過燒引起的。在斷口及磨面孔隙內未發現有非金屬夾雜物及其他異常現象。
　　3　結果分析
　　3.1 磨削裂紋
　　套圈在磨削時，如果工藝參數選擇不當或操作不當，會導致工作表面溫度達到150-200℃，此時表面因馬氏體分解，體積縮小，而中心馬氏體不收縮，致使表層承受較大拉應力而開裂，此種情況下，一般裂紋與磨削方向垂直，裂紋之間相互平行[1]。有時零件表面瞬時溫度會達到820-840℃，其溫升速度高達600℃/s，如果冷卻不充分，則由于磨削形成的熱量足以使表面薄層重新奧氏體化，會發生再次淬火而形成淬火馬氏體。此外，磨削形成的熱量使零件表面溫度升高極快，由此而形成的組織應力和熱應力也會導致磨削表面出現磨削裂紋[2]。
　　當磨削熱所造成的溫度低于軸承鋼的相變點Ac1時（軸承鋼的相變點為745℃），這時表層中的馬氏體與殘余奧氏體則發生分解，轉變為細點狀屈氏體或索氏體組織，為典型的高溫回火組織；該組織抗酸的浸蝕能力較差，經冷酸洗后呈暗黑色，并且導致軸承零件的硬度偏低。如果磨削熱的溫度高于相變點Ac1時，則軸承零件的表層組織由馬氏體轉變為奧氏體，然后由于冷卻液的作用，被二次淬火，形成淬火馬氏體和殘余奧氏體。
　　二次淬火形成的淬火馬氏體未經低溫回火，不易受酸的浸蝕，所以在冷酸洗后該處無明顯變色，而與其相鄰的區域，則呈現為暗黑色的高溫回火燒傷，包圍著灰白色的二次淬火區域。磨削燒傷處的垂直剖面組織，表面灰白色層為二次淬火組織，該層下面的暗黑色組織為高溫回火組織[2]。該CW309外圈的局部表面就存在二次淬火燒傷變質層+高溫回火燒傷變質層組織。
　　檢驗硬度時，發現外圈端面裂紋周圍區域硬度低且不均勻；腐蝕后發現外圈端面存在不規則的片狀燒傷現象；顯微觀察時發現此區端面上存在不同程度的燒傷變質層。熱酸洗后該端面裂紋區域存在S形和Y形裂紋，此裂紋是典型的磨削裂紋。通常情況下，磨削裂紋深度較淺，但當受到外力作用時易快速擴展而發生斷裂甚至破碎。送檢的1#外圈發生開裂就是裝配過程中磨削裂紋擴展的結果。
　　3.2 軸承鋼中存在顯微孔隙
　　如果在軸承鋼中有顯微孔隙存在，將大大降低晶粒間的結合力，這不僅嚴重影響軸承零件的力學性能，熱處理淬火時容易產生淬火裂紋，而且在顯微孔隙缺陷處會產生應力集中，使其成為疲勞裂紋源，降低軸承的使用性能和壽命[2]。由掃描電鏡檢驗結果分析可知，造成2#外圈斷裂的原因是斷口晶粒粗大（組織過燒）而形成的顯微孔隙所致。就高碳鉻軸承鋼而言，從冶煉到加工過程中多種因素可導致形成顯微孔隙，主要原因有：一是加熱溫度過高，導致鋼坯中心部位的某些低熔點合金相熔融或半熔融。二是在鍛造或材料軋制過程中過燒；三是由某種原因形成的材料撕裂；四是材料成分嚴重偏析而造成的局部相對過燒心[2]。
　　由于套圈成品經過了多次熱加工，顯微孔隙周圍的晶粒度所表征的僅是外圈鍛造退火及淬回火后的晶粒大小，反映的是熱處理工藝的恰當與否，而不能確切判定造成材料過燒的根本原因。
　　4　結論
　　CW309叉車軸承的1#外圈端面上的裂紋為磨削裂紋，磨削工藝不當是導致產品產生磨削裂紋的主要原因；2#外圈內存在材料缺陷-顯微孔隙，這也是導致其開裂的主要原因。
　　參考文獻
　　[1]王廣生.金屬熱處理缺陷分析及案例[M].北京:機械工業出版社.1997.
　　[2]雷建中,楊曉蔚.滾動軸承零件廢品分析及圖譜[M].洛陽:洛陽軸承研究所,2001.
來源：《軸承》2009年10期