950 mm冷軋軋機(jī)中間輥滾珠軸承失效原因分析

劉 剛 王俊海 亓俊鴻

(山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司新材料研究所，山東 271100)

我公司冷軋廠購(gòu)自某軸承公司的950 mm 軋機(jī)中間輥推力軸承，經(jīng)短時(shí)間的使用，滾珠發(fā)生斷裂，滾珠直徑為26.5 mm，軸承型號(hào)為156134，軸承外圈、軸承內(nèi)圈、保持架等各部件表現(xiàn)正常，但滾珠發(fā)生斷裂，筆者對(duì)失效軸承滾珠進(jìn)行了檢測(cè)和分析。

1 試驗(yàn)方法

(1)宏觀檢測(cè):對(duì)開(kāi)裂滾珠進(jìn)行宏觀形貌分析并進(jìn)行圖像采集。

(2)化學(xué)成分檢測(cè):磨制化學(xué)成分分析用滾珠試樣，用SPECRTOLAB M9 型光電直讀光譜儀對(duì)鋼板化學(xué)成分進(jìn)行檢測(cè)。

(3)硬度檢測(cè):用HR-150A 洛氏硬度計(jì)測(cè)量開(kāi)裂滾珠硬度。

(4)金相分析:在滾珠斷面上截取金相試樣磨制、拋光，在GX51 金相顯微鏡上進(jìn)行金相分析。

2 檢測(cè)結(jié)果

2.1 宏觀分析

圖1為軸承中開(kāi)裂滾珠球面及斷口宏觀形貌。滾珠球面有明顯的塑性變形痕跡，球面磨損、變形較為嚴(yán)重，整個(gè)滾珠從中間裂為兩個(gè)半球，在滾珠邊沿靠近球面處存在嚴(yán)重的塑性變形，造成整個(gè)滾珠斷裂為兩半的脆性斷裂源存在于靠近球面塑性變形區(qū)域的滾珠內(nèi)部，即為圖1(b)滾珠斷口形貌中的圓圈標(biāo)示區(qū)域，在此脆性斷口區(qū)域存在由滾珠表面塑性變形區(qū)域向滾珠內(nèi)部延伸的細(xì)小裂紋。

2.2 化學(xué)成分檢測(cè)

試樣化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Test results of chemical composition(mass fraction，%)

通過(guò)化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果可以看出，滾珠化學(xué)成分與我國(guó)GCr15 成分相似，此滾珠中碳含量比GCr15 高。

2.3 硬度檢測(cè)

圖1 滾珠球面及斷口形貌Figure 1 Ball sphere and fracture appearance

對(duì)斷裂滾珠進(jìn)行洛氏硬度檢測(cè)，分別選取7個(gè)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行硬度值測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。按照J(rèn)B/T1255—2001 的規(guī)定，直徑小于30 mm 的滾珠，常溫回火后的硬度要求應(yīng)在61～66HRC 范圍內(nèi)，在硬度測(cè)量過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)滾珠硬度分布不均，局部硬度遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 開(kāi)裂滾珠硬度檢測(cè)結(jié)果Table 2 Hardness test results of the rupture ball

2.4 金相分析

截取檢測(cè)試樣，磨制、拋光后進(jìn)行金相檢測(cè)，圖2 為試樣基體組織中的夾雜物圖片，夾雜物級(jí)別為D 類(lèi)1.5 級(jí)。按照GB/T18254—2002 標(biāo)準(zhǔn)要求，軸承鋼中非金屬夾雜物D 類(lèi)應(yīng)小于1.0級(jí)，此滾珠非金屬夾雜物超標(biāo)。

利用硝酸酒精溶液對(duì)組織進(jìn)行腐蝕，腐蝕后組織形貌見(jiàn)圖3，滾珠邊部大部分區(qū)域碳化物分布均勻，如圖3(a)所示，但在局部區(qū)域存在大塊碳化物，如圖3(c)、圖3(d)所示。滾珠心部也存在碳化物聚集區(qū)，如圖3(b)所示。表3 為滾珠的詳細(xì)金相分析結(jié)果。

圖2 滾珠中夾雜物Figure 2 Inclusions existing in ball

表3 金相檢測(cè)結(jié)果Table 3 Metallographic examination results

3 討論

通過(guò)宏觀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)滾珠球面有明顯的塑性變形痕跡，球面磨損、變形較為嚴(yán)重，整個(gè)滾珠從中間裂為兩個(gè)半球，在滾珠斷面上存在由球面塑性變形區(qū)域延伸至脆性斷裂源的細(xì)小裂紋，同時(shí)硬度檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，滾珠局部區(qū)域硬度較低，滾珠硬度偏低極易引起滾珠失效［1］。因此可以推測(cè)此滾珠由于局部硬度較低，在使用過(guò)程中發(fā)生局部塑性變形，塑性變形引起滾珠內(nèi)部產(chǎn)生細(xì)微裂紋，進(jìn)而引起整個(gè)滾珠斷裂為兩個(gè)半球。

在金相分析中發(fā)現(xiàn)，滾珠中碳化物分布不均，滾珠邊沿局部區(qū)域存在碳化物聚集現(xiàn)象，直接導(dǎo)致滾珠局部位置硬度值偏低，同時(shí)滾珠心部碳化物也存在區(qū)域集中現(xiàn)象，滾珠心部碳化物的分布對(duì)滾珠使用壽命具有重要影響［2］。在化學(xué)分析中發(fā)現(xiàn)，滾珠中碳含量超標(biāo)，較高的碳含量造成滾珠脆性增加，尤其是滾珠心部碳化物密集區(qū)域脆斷敏感性進(jìn)一步強(qiáng)化。金相分析還發(fā)現(xiàn)滾珠中夾雜物含量超標(biāo)，較多的非金屬夾雜物是造成此滾珠在塑性變形過(guò)程中產(chǎn)生內(nèi)部裂紋并最終引起整個(gè)滾珠裂為兩個(gè)半球的主要原因。

圖3 滾珠中網(wǎng)狀碳化物Figure 3 Net carbide in ball

4 結(jié)論與建議

綜上所述，此滾珠表面碳化物分布不均，造成滾珠局部區(qū)域硬度偏低，化學(xué)成分中較高的碳含量及滾珠心部大量碳化物密集區(qū)域，造成滾珠內(nèi)部區(qū)域的脆性增加，在軸承使用過(guò)程中，滾珠表面由于硬度偏低發(fā)生塑性變形，同時(shí)因?yàn)闈L珠中非金屬夾雜物含量過(guò)高，滾珠心部存在碳化物大量密集的脆硬區(qū)域，使?jié)L珠在塑性變形過(guò)程中產(chǎn)生內(nèi)部細(xì)小裂紋，細(xì)微裂紋向滾珠心部脆硬區(qū)域延伸，造成滾珠內(nèi)部脆性斷裂源的出現(xiàn)，進(jìn)而引起整個(gè)滾珠裂為兩半。

滾珠中非金屬夾雜物為D 類(lèi)1.5 級(jí)，超出國(guó)標(biāo)要求，且碳化物分布不均勻，滾珠硬度不符合技術(shù)要求，說(shuō)明滾珠材料性能不符合技術(shù)要求，應(yīng)停止使用并進(jìn)行更換。

［1］魏國(guó)亮，李銅橋，張玉龍，李巖.燃?xì)廨啓C(jī)滾珠軸承失效分析.理化檢測(cè)-物理分冊(cè)，2009.45(4):228-252.

［2］耿克，童憶，李峰，朱國(guó)榮.軸承鋼用GCr15 連鑄鋼坯中心碳偏析控制.現(xiàn)代冶金，2009，37(6):20.