大型轴承表面裂纹原因分析.docx

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
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