重載鐵路貨車輪對(duì)軸承套圈斷裂故障分析

□ 徐文天 □ 葛世東 □ 樊麟華 □ 郝 燁 □ 姚建民 □ 郎順明

1.上海聯(lián)合滾動(dòng)軸承有限公司 上海 200240 2.中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司 北京 100038

1 故障情況

重載鐵路貨車輪對(duì)軸承是軸箱裝置的重要組成部分,不但直接承受鐵路貨車的簧上質(zhì)量,而且承受鋼軌對(duì)車輪的橫向、縱向沖擊,所以重載鐵路貨車輪對(duì)軸承的負(fù)荷很大,輪對(duì)軸承的性能直接影響鐵路貨車的運(yùn)行情況。

目前,重載鐵路貨車輪對(duì)軸承套圈使用的材料是20CrNi2MoA鋼。20CrNi2MoA鋼是一種滲碳鋼,經(jīng)過熱處理滲碳后,表面洛氏硬度(HRC)達(dá)到59～63,滲碳深度一般要求為1.5～2.3 mm[1]。2018年,重載鐵路貨車353130B輪對(duì)軸承在大秦線運(yùn)行約50萬km后,在檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)存在軸承外圈斷裂的情況。軸承套圈斷裂,容易導(dǎo)致軸承密封失效、油脂泄漏、軸承保持架斷裂、軸承異常磨損,甚至可能造成斷軸、翻車等惡性交通事故。對(duì)重載鐵路貨車輪對(duì)軸承套圈斷裂進(jìn)行分析,確認(rèn)故障原因,采取有效措施,消除質(zhì)量隱患,對(duì)于保障鐵路安全運(yùn)行而言具有重要意義。

2 理論分析

輪對(duì)軸承的加工流程包括鍛造、車削加工、熱處理、磨削加工、表面磷化、裝配,其中可能存在裂紋隱患的加工流程主要有鍛造、熱處理、磨削加工。

輪對(duì)軸承裂紋質(zhì)量問題主要包括鍛造夾雜和碾皮、熱處理組織和硬度缺陷、磨削燒傷等。鍛造過程中過熱,或者套圈輾擴(kuò)過程中氧化皮輾入套圈表面,都會(huì)形成材料內(nèi)部組織缺陷,造成軸承在運(yùn)行過程中出現(xiàn)內(nèi)部裂紋和斷裂。在熱處理過程中,如果二次淬火冷卻時(shí)冷卻速度不佳,或產(chǎn)品在冷卻前轉(zhuǎn)移時(shí)等待時(shí)間過長(zhǎng),材料組織中都會(huì)析出網(wǎng)狀碳化物。網(wǎng)狀碳化物在一定時(shí)間循環(huán)應(yīng)力作用下,也容易出現(xiàn)內(nèi)部裂紋并擴(kuò)展,導(dǎo)致套圈斷裂。套圈磨削過程中,磨削表面溫度過高,冷卻不足時(shí)會(huì)由于表面回火形成表面軟點(diǎn),過度冷卻時(shí)會(huì)由于二次淬火形成表面硬點(diǎn),軟點(diǎn)和硬點(diǎn)與周圍正常組織硬度不同,在循環(huán)應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生表面裂紋。磨削燒傷主要與磨削溫度、砂輪和工件速比、工件冷卻和潤(rùn)滑參數(shù)、砂輪種類、進(jìn)給量等因素有關(guān)。

筆者針對(duì)353130B輪對(duì)軸承套圈斷裂故障進(jìn)行分析。為確認(rèn)重載鐵路貨車輪對(duì)軸承外圈外徑面斷裂的原因及裂紋形成的機(jī)理,對(duì)軸承外圈斷裂處進(jìn)行無損檢測(cè)、化學(xué)成分檢測(cè)、表面硬度檢測(cè)、殘余應(yīng)力檢測(cè)、顯微組織理化檢驗(yàn)。

3 宏觀檢查

該重載鐵路貨車輪對(duì)軸承外圈外形尺寸為外徑250 mm、寬160 mm、壁厚15 mm。軸承外圈在使用過程中發(fā)生斷裂,如圖1所示。整個(gè)軸承外徑面發(fā)生了貫穿式斷裂,在軸承外圈端面與外徑面倒角邊緣裂損處發(fā)現(xiàn)小刻面斷口形貌,屬于軸承外圈裂紋起始位置[3]。裂紋起始位置呈現(xiàn)斷口擴(kuò)展的放射狀條紋,屬于一次斷裂擴(kuò)展的斷口形貌。沿著外徑及牙口邊緣分布大量多源臺(tái)階條紋,銀白色區(qū)域外徑及滾道兩側(cè)邊緣為一次斷裂的裂紋間隙。軸承外圈發(fā)生斷裂后,外部雜質(zhì)不斷嵌入裂紋內(nèi)部,導(dǎo)致存在肉眼可見的硬質(zhì)小顆粒。外部應(yīng)力產(chǎn)生撕裂形成二次斷裂面,其心部可見大量韌性斷裂特征,這是由于軸承外圈使用滲碳工藝,心部為低碳鋼,具有良好的韌性。由于斷裂導(dǎo)致軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)配合出現(xiàn)松動(dòng),在左側(cè)滾道受到承載鞍接觸應(yīng)力作用,導(dǎo)致產(chǎn)生鋸齒狀裂紋,裂紋發(fā)生擴(kuò)展。

圖1 輪對(duì)軸承外圈斷裂情況

由于軸承外圈端面在使用過程中幾乎不受外部應(yīng)力作用,并且正常情況下摩擦生熱產(chǎn)生裂紋的可能性也很小[4],因此結(jié)合宏觀檢查結(jié)果推斷裂紋的產(chǎn)生與軸承生產(chǎn)過程有關(guān),如鍛造、熱處理、磨削加工等。由于這些生產(chǎn)工序引起的裂紋一般不會(huì)僅局限于一處,因此對(duì)軸承外圈端面、牙口及外徑面進(jìn)行無損檢測(cè)、化學(xué)成分檢測(cè)、顯微組織檢驗(yàn)。

4 無損檢測(cè)

根據(jù)熒光磁粉在輪對(duì)軸承外圈裂紋間隙內(nèi)會(huì)堆積的原理,對(duì)軸承外圈進(jìn)行無損檢測(cè)。檢測(cè)執(zhí)行JB/T 10338—2002[3]、Q/CR 210.1—2015[4]標(biāo)準(zhǔn),使用ZHC-600磁粉探傷設(shè)備,磁懸液濃度為0.5 ml/100 ml,周向磁化電流為4 000 A,縱向磁化磁勢(shì)為9 000 AT,磁化時(shí)間為3 s。停止?jié)沧⒑蟠呕瘍纱?每次1 s,磁場(chǎng)方向使用A1 15 μm/50 μm試片全方位清晰顯示,紫外線輻照度為900 μW/cm2,白光照度為16 lx。無損檢測(cè)結(jié)果如圖2所示,在軸承外圈端面發(fā)現(xiàn)了六條未擴(kuò)展為斷口的原始裂紋。由于斷口處受到使用時(shí)組件配合松動(dòng)及產(chǎn)生高溫的影響,無法準(zhǔn)確分析裂紋源產(chǎn)生的原因,因此選擇臨近未受高溫影響的原始裂紋進(jìn)行裂紋源微觀分析。通過線切割截取任意兩條臨近未發(fā)生擴(kuò)展的裂紋,顯微組織檢驗(yàn)取樣位置如圖3所示,對(duì)裂紋源的橫截面及縱截面進(jìn)行顯微組織檢驗(yàn)。

圖2 無損檢測(cè)結(jié)果

圖3 顯微組織檢驗(yàn)取樣位置

5 化學(xué)成分檢測(cè)

在輪對(duì)軸承外圈上截取試樣,采用火花放電只讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè),依據(jù)GB/T 3203—2016[5]、TB/T 2235—2016[1]標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行判定?；瘜W(xué)成分檢測(cè)結(jié)果見表1,表明軸承化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果

6 硬度檢測(cè)

采用洛氏硬度計(jì)對(duì)輪對(duì)軸承外圈端面表面進(jìn)行硬度檢測(cè),一側(cè)軸承外圈端面五個(gè)測(cè)點(diǎn)的洛氏硬度(HRC)為56.8、57.6、68.2、56.5、57.3,另一側(cè)軸承外圈端面五個(gè)測(cè)點(diǎn)的洛氏硬度(HRC)為56.9、56.6、57.0、56.6、56.4,不符合JB/T 8881—2011[6]標(biāo)準(zhǔn)要求。

7 殘余應(yīng)力檢測(cè)

對(duì)斷裂件及同類型輪對(duì)軸承的外圈中間環(huán)帶未磨削處進(jìn)行殘余應(yīng)力對(duì)比分析,用于判斷熱處理后軸承外圈的殘余應(yīng)力狀態(tài)。兩件軸承外圈經(jīng)歷滲碳淬火回火及二次淬火回火,在外徑中間環(huán)帶相隔120°選擇四個(gè)測(cè)點(diǎn),利用X射線應(yīng)力分析儀檢測(cè)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的殘余應(yīng)力,檢測(cè)執(zhí)行ASTM E915—10[7]、EN 15305:2008[8]、GB/T 7704—2008[9]標(biāo)準(zhǔn)。兩個(gè)軸承外圈經(jīng)過熱處理后,表面殘余應(yīng)力皆為殘余壓應(yīng)力,殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果

8 顯微組織檢驗(yàn)

對(duì)切割取樣后的試樣進(jìn)行鑲嵌、拋光,采用光學(xué)顯微鏡對(duì)原始裂紋的裂紋源形貌進(jìn)行觀察,截面未經(jīng)腐蝕的形態(tài)如圖4所示。裂紋自外徑面至牙口貫穿整個(gè)端面,裂紋深度為0.18～0.31 mm不等。斷口擴(kuò)展到一半進(jìn)程,在一次斷裂的裂紋下方形成二次斷裂的擴(kuò)展裂紋。裂紋兩側(cè)無氧化物及晶界氧化、外來夾雜等異常缺陷,裂紋間隙內(nèi)無明顯氧化物,較為潔凈。裂紋的寬度細(xì)小,裂紋走向非挺拔有力,呈斷續(xù)狀成排分布于外圈端面上,為近似90°角沿晶脆性斷裂特征。裂紋兩側(cè)呈現(xiàn)往復(fù)彎曲的折疊狀,裂紋終止區(qū)域呈現(xiàn)應(yīng)力撕裂特征形貌。

圖4 裂紋截面未經(jīng)腐蝕形態(tài)

采用滲碳鋼材料專用腐蝕劑常溫4%硝酸酒精對(duì)試樣的縱截面進(jìn)行腐蝕,縱截面腐蝕后的形態(tài)如圖5所示。被侵蝕后的顯微組織中,色澤呈現(xiàn)暗黃色的高碳極細(xì)片狀馬氏體屬于滲碳材料基體,表面的紫黑色層為高溫回火燒傷層。裂紋尾部?jī)蓚?cè)的金相組織無異常組織,淬回火組織為一級(jí),晶粒細(xì)小,無粗大碳化物。表面高溫回火燒傷層的裂紋區(qū)域?yàn)榱鸭y的一次斷裂區(qū)域,二次斷裂區(qū)域位于基體組織上。由于試樣經(jīng)過裂紋橫截面檢測(cè),表面受到制樣時(shí)的打磨,因此重新在裂紋周圍取樣,對(duì)軸承外圈外徑面進(jìn)行制樣,觀察軸承外圈端面。軸承外圈端面存在一層二次淬火燒傷層,內(nèi)部為高溫回火燒傷層。在試樣中還發(fā)現(xiàn)了網(wǎng)狀碳化物,位于馬氏體的晶界周圍。

圖5 裂紋縱截面腐蝕后形態(tài)

9 結(jié)論及改進(jìn)措施

通過分析,輪對(duì)軸承外圈材料、熱處理金相組織均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,斷裂處未發(fā)現(xiàn)鍛造夾雜。在顯微組織檢驗(yàn)過程中,沒有發(fā)現(xiàn)屈氏體類組織及過熱的粗針馬氏體。若為滲碳淬火過程引入裂紋,則在二次淬火過程中,由于加熱及淬火件轉(zhuǎn)移冷卻過程所帶來的影響,裂紋周圍的碳化物數(shù)量及馬氏體形貌會(huì)產(chǎn)生變化,并且裂紋也會(huì)在二次淬火過程中沿馬氏體晶界有一定擴(kuò)展,裂紋的形貌將不同于實(shí)際檢測(cè)結(jié)果,由此認(rèn)為裂紋的產(chǎn)生與滲碳淬火關(guān)系不大。熱處理二次淬、回火狀態(tài)良好,與裂紋無明顯關(guān)系。

該重載鐵路貨車輪對(duì)軸承外圈外徑面斷裂主要是由于磨削燒傷使軸承外圈端面與外徑面倒角處產(chǎn)生了裂紋源。軸承在使用過程中受到交變應(yīng)力作用,加之軸承端面次表面局部區(qū)域網(wǎng)狀碳化物的影響,微裂紋產(chǎn)生擴(kuò)展,最終使整個(gè)外徑面發(fā)生貫穿斷裂[10-11]。

裂紋源產(chǎn)生的主要原因如下:軸承外圈端面在磨削加工過程中進(jìn)給量過大,砂輪脫粒不佳及冷卻不及時(shí),軸承外圈端面過熱后遇冷卻液快速冷卻,形成二次淬火;碳化物在高溫狀態(tài)下大量融入奧氏體,冷卻過程中形成的二次淬火馬氏體硬度極高,導(dǎo)致表層過熱層內(nèi)組織脆性極高,且含有大量殘余奧氏體,在后續(xù)砂輪磨削產(chǎn)生的拉應(yīng)力作用下形成裂紋源。局部網(wǎng)狀碳化物及持續(xù)的砂輪切削應(yīng)力促使裂紋源向內(nèi)擴(kuò)展,形成微裂紋。軸承外圈熱處理后,滲層的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力狀態(tài),能明顯抑制裂紋的產(chǎn)生,與產(chǎn)生裂紋的條件相左,且裂紋的形貌也異于熱處理后產(chǎn)生的裂紋。

對(duì)于磨削燒傷,磨削溫度過高是根本原因。磨削溫度是影響表面層質(zhì)量的主要因素,對(duì)鋼材的晶粒度、顯微組織、硬度、殘余應(yīng)力等起決定性作用。磨削溫度中,砂輪與工件接觸的表面溫度對(duì)磨削燒傷、裂紋及表面層質(zhì)量的影響最大。這一溫度隨磨削速度加快及金屬切削量增大而上升,隨工件速度加快而下降。

在軸承外圈端面磨削過程中,應(yīng)使用合理的磨削參數(shù)。在設(shè)計(jì)生產(chǎn)工藝時(shí),應(yīng)適當(dāng)減小軸承外圈端面磨削余量?？梢酝ㄟ^重新設(shè)計(jì)軸承外圈二次淬火過程中壓模淬火的部分模具組件,使軸承外圈高度差的離散性得到有效控制,并且優(yōu)化軸承外圈端面磨削余量,降低粗磨工序的加工難度。金屬表面的氧化層會(huì)污染砂輪,因此也會(huì)間接影響產(chǎn)品的磨削速度及表面質(zhì)量。建議優(yōu)化熱處理后的噴砂工序,盡可能去除表面氧化層,改善磨加工前產(chǎn)品表面的應(yīng)力狀態(tài)。