失效軸承套圈顯微組織變異原因分析

趙燕，趙開禮，張凱勝,徐雷

(1.中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150036；2.中國人民解放軍駐哈爾濱軸承集團(tuán)公司軍事代表室，哈爾濱 150036)

1 概述

某型號(hào)大尺寸M50鋼制軸承內(nèi)、外圈直徑分別為133.35，201.725 mm,內(nèi)、外圈寬度分別為35.85，39.4 mm，在使用過程中多次發(fā)生外滾道剝落故障(圖1)，該型號(hào)軸承工作壽命要求500 h，而發(fā)生故障的軸承工作時(shí)間普遍小于100 h。剝落位置均發(fā)生在外圈滾道工作表面，除剝落面積存在差異外，剝落表面整體形貌基本相似，經(jīng)顯微鏡放大觀察，剝落表面均為輾壓和擠壓特征。

圖1 軸承外滾道剝落形貌

2 檢測與分析

對(duì)故障軸承進(jìn)行了系統(tǒng)的尺寸精度檢測，并對(duì)零件冷、熱加工質(zhì)量進(jìn)行排查，確認(rèn)故障軸承的尺寸精度滿足要求，滾道表面無磨削燒傷和原始裂紋缺陷，零件硬度和金相組織合格。

2.1 故障軸承顯微組織

分別在故障軸承的剝落區(qū)及非剝落區(qū)截取試樣，顯微鏡下觀察其縱截面，發(fā)現(xiàn)滾道剝落區(qū)和非剝落區(qū)的亞表面均有成片的白色組織，類似蝴蝶形貌(以下簡稱為 “蝶形”組織)。從試樣中可見“蝶形”組織距離滾道表面深度最大可達(dá)0.8 mm，長度最長可達(dá)0.2 mm，部分組織邊緣上可見細(xì)小的微裂紋，裂紋尾部分叉，相比之下 “蝶形”組織在剝落區(qū)域次表面分布較多(圖2)。掃描電鏡下 “蝶形”組織略呈水印形貌(圖3)，與基體顏色基本相同，說明“蝶形”組織成分與基體相近，其邊緣有裂紋缺陷。

圖2 顯微鏡下白色“蝶形”組織形貌

圖3 掃描電鏡下“蝶形”組織形貌

顯微鏡下觀察，試樣心部組織為回火馬氏體+細(xì)小均勻分布的碳化物，其熱處理質(zhì)量符合JB/T 2850—2007《滾動(dòng)軸承 Cr4Mo4V高溫軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件》的要求。

2.2 故障軸承微區(qū)成分及顯微硬度

分別對(duì)故障軸承中“蝶形”組織和基體進(jìn)行能譜分析，掃描位置如圖4所示，掃描結(jié)果見表1。由表可知， “蝶形”組織與基體組織元素相同，說明二者成分無明顯差異。

圖4 能譜點(diǎn)掃描位置

表1 組織表面能譜點(diǎn)掃描結(jié)果 w,%

分別選取3處剝落試樣的“蝶形”組織、基體組織進(jìn)行顯微硬度測試，結(jié)果見表2。由表可知，“蝶形”組織硬度比基體硬度高約150 HV0.1。

表2 “蝶形”組織和基體的維氏硬度 HV0.1

2.3 到壽軸承顯微組織

任取3套使用狀態(tài)良好、未發(fā)生故障的到壽軸承，在顯微鏡下觀察滾道次表面，均未見明顯的白色組織、夾雜及裂紋等缺陷(圖5)。

圖5 到壽軸承滾道邊緣組織形貌

3 原因分析

3.1 “蝶形”組織的產(chǎn)生

“蝶形”組織是顯微組織變異形成的白色浸蝕部分[1]，通常認(rèn)為其形成一方面是由于軸承承受的重載作用，致使?jié)L動(dòng)接觸零件產(chǎn)生顯微組織變異；另一方面，軸承零件存在內(nèi)部缺陷，在交變應(yīng)力的作用下缺陷附近的顯微組織發(fā)生變異[2]。

該型軸承工作過程中需承受軸向載荷30 000 N(短時(shí)70 000 N)，徑向載荷1 100 N(短時(shí)5 500 N)，轉(zhuǎn)速13 725 r/min，整體上看，軸承的承載和轉(zhuǎn)速要求較高，但對(duì)多套到壽軸承截取試樣觀察，并未發(fā)現(xiàn)試樣滾道次表面有“蝶形”組織和裂紋缺陷，說明該型號(hào)軸承的使用性能可滿足工況要求，可排除載荷過大對(duì)組織轉(zhuǎn)變的影響，因此，故障軸承“蝶形”組織的產(chǎn)生可能與內(nèi)部缺陷有關(guān)。

采用水浸超聲無損檢測方法，對(duì)故障軸承、到壽軸承、廠內(nèi)庫存未使用的成品套圈和鍛件套圈4種狀態(tài)共160多件外圈進(jìn)行內(nèi)部缺陷檢查，發(fā)現(xiàn)故障軸承外圈滾道次表面均有缺陷, 個(gè)別故障軸承在外徑面次表面也有缺陷；此外有25件庫存成品套圈和鍛件分別在外徑面或滾道次表面也存在缺陷，而到壽軸承狀態(tài)均良好。

對(duì)以上故障套圈、庫存成品套圈和鍛件3種狀態(tài)套圈的缺陷位置進(jìn)行耦合，發(fā)現(xiàn)缺陷主要分布在外徑表面下約2.4～6.4 mm和滾道次表面，其中也有部分套圈缺陷位于滾道承力側(cè)附近(圖6)。

圖6 水浸超聲檢測缺陷集中位置

在存在缺陷的鍛件套圈中，抽取信號(hào)幅度較大的鍛件，在信號(hào)顯現(xiàn)部位切取金相試塊，經(jīng)磨拋后在光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡上觀察，未發(fā)現(xiàn)“蝶形”組織，但在缺陷顯現(xiàn)部位發(fā)現(xiàn)了裂紋缺陷，其形貌如圖7所示。對(duì)缺陷進(jìn)行能譜分析，未發(fā)現(xiàn)除基體以外的其他元素存在，且每個(gè)缺陷均有深度，說明這些缺陷屬于基體，從缺陷所處的位置、形態(tài)及金相組織形貌等綜合分析認(rèn)為，該缺陷是鍛造缺陷，屬鍛造內(nèi)裂。

圖7 裂紋缺陷形貌

多件鍛件套圈的缺陷與故障軸承缺陷相似，結(jié)合到壽軸承均未見“蝶形”組織和裂紋缺陷，說明“蝶形”組織的形成與其存在內(nèi)部缺陷有關(guān)，是軸承在交變應(yīng)力的作用下，滾道次表面缺陷附近的顯微組織發(fā)生變異引起的，這也是 “蝶形”組織與基體組織成分無明顯差異的原因。

3.2 裂紋缺陷的產(chǎn)生原因

通過對(duì)軸承的原材料和套圈生產(chǎn)加工過程的排查，發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)部裂紋缺陷是在鍛造加工過程中形成的。

軸承外圈是將φ80 mm×103.7 mm的料段在鍛造溫度下經(jīng)鐓粗、復(fù)合擠壓沖孔、去沖孔連皮、輾擴(kuò)等工序加工，最終形成外徑φ206 mm、寬44.5 mm的環(huán)形鍛件，鍛造工藝流程示意圖如圖8～圖10所示。

圖8 鍛造工藝流程示意圖

在鍛造加工過程中，因復(fù)合擠壓沖孔和去沖孔連皮孔工序用的成形模和輾擴(kuò)工序用的輾擴(kuò)輪均未進(jìn)行預(yù)熱(為20 ℃左右的室溫狀態(tài))，而料段溫度為1 000 ℃左右，最先加工的料段因其外表面與室溫下的模具或輾擴(kuò)輪接觸而使外表面快速降溫，使其表面與心部材料出現(xiàn)較大溫差，導(dǎo)致其金屬流動(dòng)和變形速度不一致，形成較大的內(nèi)應(yīng)力，并在次表面產(chǎn)生內(nèi)部缺陷；另外，鍛件在輾擴(kuò)過程中，當(dāng)心部與表面的溫差達(dá)到一定程度時(shí)，在輾擴(kuò)力和輾擴(kuò)速度等外部因素的共同作用下，當(dāng)表面和次表面的剪切應(yīng)力大于材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生裂紋缺陷。

4 機(jī)理分析

綜上所述，套圈存在鍛造缺陷是導(dǎo)致其次表面顯微組織發(fā)生變異，形成“蝶形”組織的直接原因。

因軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和工作載荷極高，工作過程中，滾道在高應(yīng)力循環(huán)滾動(dòng)接觸作用下，次表面缺陷附近的材料發(fā)生彈性變形，滾動(dòng)體離開此部位后彈性變形恢復(fù)，滾道次表面下的缺陷部位由變形到恢復(fù)的頻繁變化在缺陷邊緣產(chǎn)生大量形變熱，并向周圍擴(kuò)散，形成類似“蝶形”的熱影響區(qū)，使該區(qū)域材料的顯微組織發(fā)生變異，形成“蝶形”組織。因其硬度略高于基體組織，在交變載荷作用下，缺陷沿著“蝶形”組織的邊緣產(chǎn)生擴(kuò)展，且兩者之間相互促進(jìn)發(fā)展，隨著工作時(shí)間的加長最終在滾道表面產(chǎn)生疲勞剝落。

因變異后的“蝶形”組織一般很難浸蝕，所以在光學(xué)顯微鏡下呈白色；但因其成分與基體元素相同，所以在掃描電鏡下二者顏色相近。

5 改進(jìn)措施

為避免類似故障的重復(fù)發(fā)生，保證軸承的使用性能和可靠性，對(duì)軸承的鍛造加工和缺陷控制采取以下措施：

1)提高套圈鍛件加工質(zhì)量，優(yōu)化鍛造工藝，對(duì)模具和輾擴(kuò)輪進(jìn)行有效預(yù)熱，合理確定沖孔連皮位置、尺寸及去除方法，并嚴(yán)格控制鍛造溫度，避免鍛造缺陷的產(chǎn)生。

2)對(duì)套圈鍛件開展水浸超聲無損檢測，有效剔除存在內(nèi)部缺陷的鍛件。

通過驗(yàn)證和外場使用，確認(rèn)改進(jìn)措施有效，避免了鍛造缺陷的產(chǎn)生，同時(shí)，該措施已推廣應(yīng)用于多個(gè)重點(diǎn)型號(hào)大尺寸M50鋼軸承的工藝控制過程中，有效地提高了軸承鍛件的加工質(zhì)量，保證了軸承的性能滿足可靠性要求。