推力調(diào)心滾子軸承軸圈通裂失效分析

儀欣

（瓦房店軸承集團(tuán)國(guó)家軸承工程技術(shù)研究中心有限公司，遼寧 瓦房店 116300）

某軸承公司生產(chǎn)的推力調(diào)心滾子軸承主要用在鋼管廠的小車串管機(jī)上，軸承工作溫度為20 ℃ 左右，使用壽命要求為 6～8 個(gè)月。該軸承上機(jī)一周后發(fā)生軸圈通裂，失效軸承照片如圖1－3 所示。

圖1 軸圈斷裂形貌

1 軸承宏觀檢測(cè)

軸圈滾道面運(yùn)轉(zhuǎn)痕跡正常，如圖1 所示。軸圈內(nèi)徑面有與軸相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生的滑動(dòng)痕跡，該痕跡分布整個(gè)圓周方向，如圖2 所示。

圖2 軸圈內(nèi)徑形貌

圖3 滾子大端面形貌

送檢軸圈試樣形貌如圖4 所示，圖中標(biāo)記處為圖1 中斷口，該斷口形貌如圖5 所示，整個(gè)斷面平坦，無(wú)明顯裂紋擴(kuò)展輝紋，無(wú)氧化回火色。圖5 中標(biāo)記處為斷口的開(kāi)裂起源，即起源于大擋邊。大擋邊有擦傷，如圖6 所示。

圖4 送檢試樣形貌

圖5 斷口形貌

圖6 大擋邊擦傷形貌

滾子大端面均有被擠壓痕跡，如圖3 所示。個(gè)別滾子大端因被擠壓、擦傷較重，端面金屬向外徑方向流動(dòng)，如圖7 所示。滾子外徑運(yùn)轉(zhuǎn)痕跡偏向小端側(cè)，且靠近小端側(cè)有條形剝離和沿周向擦傷，如圖8－9 所示。

圖7 滾子大端面形貌

圖8 未送檢滾子外徑形貌

圖9 送檢滾子外徑形貌

滾子大端面與軸圈大擋邊接觸面較小，如圖10－11 所示。

圖10 滾子大端面與軸圈大擋邊接觸形貌

圖11 軸圈大擋邊側(cè)油溝與滾子大端面接觸形貌

2 軸承微觀檢測(cè)

2.1 化學(xué)成分檢測(cè)

采用 ARL4460 直讀光譜分析儀按 GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》對(duì)送檢軸圈和滾子試樣進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)圖紙，送檢的試樣材料牌號(hào)均為標(biāo)準(zhǔn) GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》中的 GCr15SiMn，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，軸圈試樣化學(xué)成分符合GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求，滾子化學(xué)成分符合 GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》標(biāo)準(zhǔn)中的 GCr15，與圖紙要求不符。

表 1 化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2.2 性能檢測(cè)

采用HR-150A洛氏硬度計(jì)（檢測(cè)范圍：20～67 HRC），按 GB/T 230.1—2018《金屬材料洛氏硬度試驗(yàn)方法》對(duì)送檢的軸圈試樣距滾道面3 mm 處和滾子的小端面進(jìn)行檢測(cè)，軸圈有效壁厚為 34.77 mm，滾子有效直徑為 37.32 mm，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果判定，送檢軸圈和滾子硬度均符合 JB/T 1255—2014《滾動(dòng)軸承 高碳鉻軸承鋼零件 熱處理技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 硬度檢測(cè)結(jié)果 HRC

2.3 非金屬夾雜物檢測(cè)

采用LEICA DMRXE金相顯微鏡按 GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定-標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》對(duì)送檢軸圈和滾子試樣進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表3。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，送檢軸圈的非金屬夾雜物符合 GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》中優(yōu)質(zhì)鋼標(biāo)準(zhǔn)要求；滾子 D 類細(xì)系超標(biāo)，不符合 GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》中優(yōu)質(zhì)鋼標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖12 所示。

表3 非金屬夾雜物檢測(cè)結(jié)果級(jí)

圖12 滾子D 類細(xì)系超標(biāo)形貌

2.4 金相組織檢測(cè)

采用 LEICA DMRXE 金相顯微鏡按 JB/T 1255—2014《滾動(dòng)軸承 高碳鉻軸承鋼零件 熱處理技術(shù)條件》對(duì)送檢軸圈和滾子進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，送檢軸圈顯微組織均符合JB/T 1255—2014《滾動(dòng)軸承 高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)要求；滾子網(wǎng)狀碳化物超標(biāo)，不符合 JB/T 1255—2014《滾動(dòng)軸承 高碳鉻軸承鋼零件 熱處理技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)要求，滾子（原材料為球化退火狀態(tài)，直徑為 38.25 mm）帶狀碳化物超標(biāo)，不符合 GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求，組織照片見(jiàn)圖13－19。

表4 顯微組織檢測(cè)結(jié)果級(jí)

圖13 軸圈試樣馬氏體組織 ×500

圖14 軸圈試樣網(wǎng)狀碳化物 ×500

圖15 滾子試樣3 mm 以外屈氏體組織 ×500

圖16 滾子試樣馬氏體組織 ×500

圖17 滾子試樣網(wǎng)狀組織 ×500

圖18 滾子試樣帶狀組織 ×500

圖19 滾子試樣帶狀組織 ×100

檢測(cè)軸圈大擋邊，靠近油溝側(cè)二次淬火層較輕，如圖20 所示；大擋邊外側(cè)存在嚴(yán)重的二次淬火層和高溫回火轉(zhuǎn)變，如圖21 所示。

圖20 軸圈大擋邊油溝側(cè)組織形貌 ×100

圖21 軸圈大擋邊外側(cè)組織形貌 ×100

滾子大端面靠近凹穴側(cè)無(wú)擦傷層，擦傷層開(kāi)始于圖7 中箭頭所指處，圖22 中二次淬火層開(kāi)始的位置即為圖7 中箭頭所指處，從該處直至外徑側(cè)均存在二次淬火層，深度達(dá)到 0.058 mm。圖23 為滾子大端面靠近外徑側(cè)二次淬火層，深度達(dá)到 0.060 mm。

圖22 滾子靠近凹穴側(cè)形貌 ×100

圖23 滾子靠近外徑側(cè)形貌 ×100

3 分析與結(jié)論

根據(jù)外觀和理化檢驗(yàn)結(jié)果可得出如下結(jié)論：

（1）軸圈理化檢驗(yàn)結(jié)果均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）滾子的鋼種與圖紙要求不符。追溯其原因是因?yàn)橥读仙a(chǎn)時(shí)圖紙要求鋼種不足，便采用 GCr15 替代，但替代的鋼材（即滾子試樣）非金屬夾雜物、網(wǎng)狀碳化物和帶狀碳化物均超標(biāo)。

（3）軸圈斷口起源于大擋邊，在該處組織存在二次淬火層和高溫回火層，觀察軸圈斷口形貌，無(wú)氧化回火色。滾子大端面與軸圈大擋邊接觸的部分靠近凹穴側(cè)組織無(wú)異常，靠近外徑側(cè)均存在二次淬火層和高溫回火層，二次淬火層越深該處開(kāi)裂現(xiàn)象越重[1]。

（4）滾子大端面與軸圈大擋邊接觸不良，承受軸向力時(shí)，軸圈大擋邊與滾子大端面部分接觸，較小的接觸面無(wú)法正常承受全部載荷，因此在滾子大端面與軸圈大擋邊接觸處相互擠壓、擦傷，產(chǎn)生二次淬火層和高溫回火層，最終在軸圈大擋邊處開(kāi)裂。