某故障軸承鋼球裂紋分析

孫慧廣，劉軍和，溫麗超

（1. 中國人民解放軍駐哈爾濱軸承集團公司 軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150036；2. 中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司 研發(fā)中心，黑龍江 哈爾濱 150025）

某故障軸承鋼球裂紋分析

孫慧廣1，劉軍和1，溫麗超2

（1. 中國人民解放軍駐哈爾濱軸承集團公司 軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150036；2. 中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司 研發(fā)中心，黑龍江 哈爾濱 150025）

對故障軸承鋼球開裂后的斷口進(jìn)行宏觀和微觀觀察，并對裂紋斷口縱剖面以及沿直徑方向的剖面進(jìn)行了金相檢查和微觀組織分析。通過對比同類產(chǎn)品，綜合分析了鋼球開裂的性質(zhì)和發(fā)生開裂的原因。

軸承；鋼球；裂紋；金相檢查；微觀組織分析

1 前言

某故障軸承為雙半內(nèi)圈角接觸球軸承，鋼球為耐高溫鋼制造，主要承受軸向載荷，最大軸向載荷29 400N，最高轉(zhuǎn)速達(dá)13 630r/min。該軸承在隨主機長試時鋼球出現(xiàn)裂紋。

圖1 裂紋宏觀形貌

圖2 裂紋低倍形貌

圖3 裂紋高倍形貌特征

圖4 斷口宏觀特征

圖5 斷口低倍形貌

圖6 開裂處斷口高倍形貌

2 裂紋鋼球檢查

2.1 裂紋宏、微觀觀察

宏觀觀察裂紋比較平直（圖 1），沒有明顯的分叉，鋼球表面未發(fā)現(xiàn)磨損現(xiàn)象。用掃描電鏡對裂紋各個區(qū)段進(jìn)行微觀形貌觀察，低倍下（圖2），未見明顯的裂紋分叉，高倍下（圖 3），裂紋內(nèi)有較明顯的晶粒特征和氧化形貌，主裂紋邊部有細(xì)小的分叉裂紋，裂紋內(nèi)未見夾雜或疏松等缺陷。

2.2 裂紋斷口宏微觀觀察

將鋼球裂紋人工打開，對裂紋斷口（圖 4～圖6）進(jìn)行觀察。斷口齊平，開裂處有明顯的沿晶特征，并出現(xiàn)較嚴(yán)重的氧化，存在熔融孔洞。

2.3 顯微組織分析

沿裂紋垂直方向?qū)嗫谄书_，同時將故障鋼球、同批使用和未使用的鋼球沿直徑方向剖開，制備金相試樣，進(jìn)行對比分析。

2.3.1 鋼球A裂紋斷口剖面微觀組織分析

斷口剖面顯微組織分析結(jié)果見圖 7～圖 11。整體來看，其組織中包括粗針狀馬氏體基體、大塊狀共晶碳化物和小顆粒狀的二次碳化物。在低倍下，有白亮色的帶狀組織存在，高倍下，該帶狀組織為碳化物，碳化物周圍為回火不充分的馬氏體，斷口與碳化物帶平行。晶界上有大量連續(xù)的膜狀碳化物和骨架狀碳化物析出，在大塊狀共晶碳化物與基體交界處存在熔融孔洞，同時，在三角晶界處有魚骨狀共晶萊氏體存在；裂紋沿晶界碳化物擴展。

圖7 斷口縱剖面低倍組織特征

圖8 斷口縱剖面高倍組織特征

圖9 斷口縱剖面SEM低倍組織特征

圖10 斷口縱剖面SEM高倍組織特征(1)

圖11 斷口縱剖面SEM高倍組織特征(2)

2.3.2 沿直徑方向剖面的微觀組織分析

其組織與斷口剖面組織相同，主要包括，粗針狀馬氏體基體、大塊狀共晶碳化物和小顆粒狀的二次碳化物。在低倍下，有白亮色的帶狀組織存在；高倍下，該帶狀組織為碳化物富集區(qū)域，碳化物周圍為回火不充分的馬氏體。晶界上有大量連續(xù)的膜狀碳化物和骨架狀碳化物析出，并與塊狀共晶碳化物相粘連。在大塊狀共晶碳化物富集處，存在非常明顯的熔融孔洞，同時，在三角晶界處有魚骨狀共晶萊氏體存在，見圖 12～圖15。

圖12 故障鋼球沿直徑方向剖面的低倍組織特征

圖13 故障鋼球沿直徑方向剖面的高倍組織特征

圖14 故障鋼球沿直徑方向剖面的SEM組織特征(1)

圖15 故障鋼球沿直徑方向剖面的SEM組織特征(2)

圖16 同批次生產(chǎn)并使用的鋼球B沿直徑方向剖面的低倍組織特征

圖17 同批次生產(chǎn)并使用的鋼球B沿直徑方向剖面的高倍組織特征

2.3.3 同批已使用的鋼球B沿直徑方向剖面的微觀組織分析

其組織特征為，粗針狀馬氏體基體、大塊狀共晶碳化物和小顆粒狀的二次碳化物，見圖 16～圖 18。低倍下，未見明顯的帶狀特征，有白亮色的塊狀組織存在；高倍下，該塊狀組織為碳化物富集區(qū)域，局部有大片明顯的碳化物富集現(xiàn)象（圖 18），碳化物周圍為回火不充分的馬氏體。晶界上有大量連續(xù)的膜狀碳化物析出，并與塊狀共晶碳化物相粘連，在大塊狀共晶碳化物與基體交界處存在比較明顯的熔融孔洞，同時，在三角晶界處有魚骨狀共晶萊氏體存在，在碳化物富集處尤為明顯。

2.3.4 同批未使用的鋼球C沿直徑方向剖面的微觀組織分析

其組織特征為，針狀馬氏體基體、大塊狀共晶碳化物和小顆粒狀的二次碳化物，見圖 19～圖21。低倍下，未見明顯的帶狀特征，組織相對比較均勻，有白亮色的塊狀組織存在；高倍下，該塊狀組織為小范圍的碳化物富集區(qū)域，碳化物周圍為回火不充分的馬氏體，未見大面積比較明顯的碳化物富集。馬氏體針較其它樣品明顯細(xì)小，晶界上有個別的棒狀碳化物析出，塊狀或顆粒狀碳化物有較明顯的相互粘連現(xiàn)象，在大塊狀共晶碳化物與基體交界處存在少量較小的過熱孔洞，同時，未見魚骨狀共晶萊氏體。

圖18 同批次生產(chǎn)并使用的鋼球B 沿直徑方向剖面的SEM組織特征

圖19 同批次生產(chǎn)未使用的鋼球C沿直徑方向剖面的低倍組織特征

圖20 同批次生產(chǎn)未使用的鋼球C沿直徑方向剖面的高倍組織特征

圖21 同批次生產(chǎn)未使用的鋼球C 沿直徑方向剖面的SEM組織特征

2.3.5 晶粒度及碳化物不均勻度評級

針對上述三個樣品，根據(jù)GB6394-2002進(jìn)行了晶粒度評級，參照GB /T 9943-2008對碳化物不均勻度進(jìn)行了評級，結(jié)果如表 1。

表1 晶粒度及碳化物不均勻度

3 分析與討論

兩起軸承用鋼球的開裂性質(zhì)為淬火沿晶脆性開裂，其開裂的原因具體分析如下：

故障鋼球A斷口氧化比較嚴(yán)重，說明鋼球在使用前裂紋已經(jīng)存在并經(jīng)歷過高溫，并且其形貌特征以沿晶為主，與人工打斷處的解理特征迥然不同；故障鋼球的組織分析結(jié)果可見，裂紋沿晶界擴展，合金三角晶界處出現(xiàn)共晶萊氏體，同時發(fā)現(xiàn)非常明顯的熔融孔洞，證明合金局部開始熔化，出現(xiàn)了過燒現(xiàn)象；粗針狀馬氏體及晶界膜狀碳化物的析出以及與塊狀共晶碳化物的粘連，均是合金出現(xiàn)超溫的特征，由此可見，在淬火過程中，由于鋼球合金出現(xiàn)過燒，晶界被弱化，使鋼球在淬火組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力的作用下表面發(fā)生沿晶開裂。

將試樣故障鋼球A與未開裂同批次鋼球B進(jìn)行組織對比分析發(fā)現(xiàn)，同批次生產(chǎn)并使用的鋼球B也出現(xiàn)了三角晶界處的共晶萊氏體析出、熔融孔洞及粗針狀的馬氏體、晶界膜狀碳化物和碳化物粘連等特征，表明該鋼球也出現(xiàn)了過燒；同時，同批次生產(chǎn)但未使用的鋼球C未發(fā)現(xiàn)共晶萊氏體和熔融孔洞等過燒的跡象，但出現(xiàn)了針狀馬氏體、棒狀碳化物和碳化物的粘連特征，證明該鋼球發(fā)生了輕微的過熱。由此可見，同批次的鋼球均出現(xiàn)了超溫的現(xiàn)象，因此，淬火爐溫控制不當(dāng)是鋼球發(fā)生過燒淬火開裂的根本原因。

另外，組織對比發(fā)現(xiàn)，故障鋼球A碳化物偏析嚴(yán)重，同批次生產(chǎn)并使用的鋼球B次之，同批次生產(chǎn)但未使用的鋼球C最輕；故障鋼球A多處發(fā)現(xiàn)三角晶界處的共晶萊氏體，而同批次生產(chǎn)并使用的鋼球B只有個別區(qū)域出現(xiàn)類似特征，同時，故障鋼球A的熔融孔洞較同批次生產(chǎn)并使用的鋼球B也要更加明顯，因此，故障鋼球A的過燒現(xiàn)象較同批次生產(chǎn)并使用的鋼球B要嚴(yán)重；相比之下，同批次生產(chǎn)但未使用的鋼球C的馬氏體針明顯比前兩者細(xì)小，而且晶界只出現(xiàn)了棒狀碳化物而未發(fā)現(xiàn)膜狀析出，因此只是出現(xiàn)了相對較輕微的過熱現(xiàn)象。由此可見，從碳化物偏析的角度來看，在相同溫度下，碳化物偏析嚴(yán)重時，由于偏析處局部碳元素及合金元素含量與其它部位的差異，導(dǎo)致如下現(xiàn)象發(fā)生：合金局部熔點降低使鋼球更容易發(fā)生過燒或過熱現(xiàn)象、淬火過程中組織轉(zhuǎn)變的不協(xié)調(diào)性使淬火時鋼球所承受的組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力更加復(fù)雜、碳化物富集區(qū)域回火不充分使鋼球脆性增大等，從而使鋼球更容易發(fā)生淬火開裂，因此，棒料碳化物偏析在一定程度上促進(jìn)了鋼球在淬火過程中出現(xiàn)過熱過燒而導(dǎo)致淬火開裂。

4 結(jié)論

鋼球的開裂性質(zhì)為過熱或過燒淬火開裂，該鋼球開裂的根本原因是淬火過程中爐溫控制不當(dāng)導(dǎo)致淬火溫度過高所致。通過嚴(yán)格檢驗和控制棒料和鋼球的碳化物不均勻度和晶粒度，保證出廠產(chǎn)品的質(zhì)量可靠。

（編輯：鐘 媛）

Analysis of a ball cracks of failure bearing

Sun Huiguang1, Liu Junhe1, Wen Lichao2
( 1. Military Delegrate Office of PLA Residing Harbin Bearing Group Corporation,Harbin 150036,China; 2. Bearing R＆D Center, AVIC Harbin Bearing Co., Ltd., Harbin 150025,China )

Macro and micro examinations on the fracture of failure bearing steel ball cracks were carried out. The metallographic examination and microstructure analysis on the vertical section of fracture and the section along the diameter direction also performed. Through the comparison with similar products, the properties and the reason of steel ball cracking were analyzed comprehensively.

bearing; steel ball; crack; metallographic examination; microstructure analysis

TH133.3

B

1672-4852（2014）03-0024-03

2014-06-06.

孫慧廣（1984 -），男，工程師.