大型回轉支承滾道裂紋機理分析

李 騰，門冠云，武麗明，孫亞軍

(山西航天清華裝備有限責任公司，山西 長治 046000)

0 引言

某部件大型回轉支承是產品的關鍵部件，具有承載、回轉等功能，回轉支承的失效形式主要是滾道磨損、齒面磨損、滾道裂紋和齒斷裂等，齒面裂紋或斷裂直接導致回轉支承報廢，滾道裂紋會加速回轉支承的損壞，大大降低回轉支承的設計使用壽命[1]。本文針對回轉支承在使用較長時間后檢測發(fā)現滾道表面的裂紋進行機理分析研究。

1 回轉支承滾道及其宏觀裂紋形貌

回轉支承零件滾道為50Mn的鍛件，回轉中心直徑為Φ1 100 mm。滾道加工工藝流程為：毛坯鍛件→粗車內外圓→超聲探傷→半精車內外圓→低溫時效處理→精車內外圓及滾道尺寸→滾齒→銑鏜各安裝孔→滾道淬火→磁粉探傷→拋光滾道表面。圖1為回轉支承滾道實物。

圖1 回轉支承滾道實物

將滾道裂紋部位取樣后采用目視及體視顯微鏡進行觀察，裂紋位于滾道內部及滾道外部的機加工表面，裂紋長短不一，呈斷續(xù)分布，觀察到的最長裂紋約10.6 mm，所有裂紋形態(tài)較為相似；所有裂紋附近未見明顯機械損傷痕跡，滾道表面有多處明顯腐蝕痕跡，體視顯微鏡下觀察，銹蝕區(qū)域內部附著一層紅褐色銹蝕產物，銹蝕區(qū)域邊緣存在個別小點蝕坑，其他區(qū)域呈亮金屬色。圖2為經磁粉探傷后的滾道裂紋宏觀形貌。

圖2 經磁粉探傷后的滾道裂紋宏觀形貌

2 理化檢驗

2.1 斷口形貌分析

圖3為滾道裂紋人工折斷后的宏觀形貌。從圖3中可以看出，折斷后新、舊斷口區(qū)域界線分明，新斷口的金屬光澤顯著，而舊斷口顏色呈藍黑色[2]，觀察到的裂紋深度為0.6 mm～1.8 mm。

圖3 沿裂紋折斷后的斷口宏觀形貌

2.2 掃描電鏡分析及能譜分析

用掃描電鏡對斷口進行微觀形貌觀察及能譜分析，分析結果如圖4～圖9所示。從圖4～圖9可以看出：各裂紋試樣斷面形貌較為相似，舊斷口區(qū)域可見沿晶二次裂紋，為脆性斷口，具有以沿晶為主+穿晶開裂的延遲開裂特征，斷面上附著“泥紋”狀物質，表面覆蓋有氧化鐵生成物，能譜分析含有Fe、O、Cl及少量Cr、Mn、Si元素，表明基體發(fā)生了腐蝕；新、舊斷口交接區(qū)域為韌性斷裂，能譜分析主合金元素與基體相似，表明裂紋斷口是在滾道使用過程中裂紋發(fā)生了延遲開裂形成的；人工斷口其他區(qū)域呈解理+韌窩形貌，能譜分析含有Fe(主)、Mn(0.8%)、Si(0.4%)元素，主合金元素及含量未見異常。

2.3 金相分析

從滾道試樣中存在裂紋部位取樣進行金相分析，結果顯示：所有裂紋均沿晶擴展，可見較多沿晶分叉裂紋；滾道表面存在較多腐蝕坑；金相試樣基體組織為索氏體+鐵素體，硬化層組織為馬氏體[3]；所有裂紋均位于硬化層內部，裂紋區(qū)域組織與其他區(qū)域組織未見差異，具體見圖10。

圖4 舊斷口低倍形貌 圖5 斷口腐蝕產物形貌

圖6 新、舊斷口交接區(qū)域形貌 圖7 人工斷口形貌

圖8 舊斷口能譜分析 圖9 人工斷口能譜分析

圖10 滾道內部裂紋形貌

2.4 硬度測試

對滾道試樣采用梯度測試方法進行硬度測試，測試結果表明滾道試樣表面及近表層硬度滿足設計要求，硬化層深度滿足要求。

3 分析與討論

能譜分析結果表明滾道所用材料的主成分未見異常，金相分析結果表明材料基體組織為索氏體+鐵素體，硬化層組織為馬氏體，硬化層深度及硬度符合設計要求。

滾道圓弧表面及滾道邊緣均可見多條裂紋，裂紋的走向具有明顯的規(guī)律性，滾道圓弧表面的裂紋與徑向夾角約70°，滾道邊緣的裂紋與徑向夾角約45°；打開的裂紋斷口均呈藍黑色，應是受到高溫作用形成的氧化色，斷口微觀呈沿晶形貌，可見沿晶二次裂紋，部分晶面存在明顯腐蝕痕跡；金相分析結果表明裂紋起始時位于硬化層內部，在滾道使用過程中裂紋又發(fā)生了延遲開裂，其原因是在裂紋尖端的應力腐蝕集中效應下，使淬火裂紋繼續(xù)延遲開裂。

滾道生產完成后磁粉探傷檢查無異常，經使用一段時間后磁粉探傷出現裂紋，此現象是由于長時間的回火使淬火裂紋縫隙中充滿了氧化鐵填充物，而氧化鐵的導磁性與基體金屬相近，且由于裂紋很細小，磁粉檢測不易顯示，但隨著長時間的使用，被氧化鐵填充的裂紋尖端陸續(xù)產生延遲開裂縫隙，使裂紋張開，并使縫隙內的脆性氧化鐵填充物碎裂，在磁粉檢測時易于顯示，所以再次檢測出現裂紋。

4 結論

回轉支承滾道裂紋均為淬火熱處理裂紋，長時間使用過程發(fā)生了應力腐蝕擴展，形成延遲開裂現象。