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叉车轴承CW309外圈裂纹分析

2013-09-26

李莉萍　钱晓光
（东莞市TR轴承有限公司，广东东莞　523009）
　　摘　要：采用理化分析的方法，对叉车轴承CW309外圈产生裂纹的原因进行了分析，结果表明，磨加工时因磨削烧伤产生的磨削裂纹和材料缺陷（显微孔隙）是引起CW309外圈开裂的主要原因。
　　关键词：滚动轴承；叉车轴承；外圈；磨削裂纹；显微孔隙
　　叉车轴承CW309在装配过程中发现外圈有裂纹现象，其中有一件外圈已经断裂。为了查清外圈裂纹的性质和产生原因，对合套CW309轴承的外圈（编号为1#）和一块CW309断裂外圈试样（编号为2#）进行理化检验分析，以查找该批轴承外圈产生裂纹的原因。
　　1　宏观检查与分析
　　样品宏观形貌见图1。1#外圈上有一条沿轴向的裂纹，该裂纹贯穿外径表面和端面，并从两端面向外内径和滚道面延伸。
　　2#断裂外圈的断裂方向沿轴向，断口中部晶粒较为粗大（图2）。
　　2　理化检验
　　2.1 化学成分分析
　　采用Spector M9型直读光谱仪对轴承外圈的化学成分进行分析，并根据GB/T 18254-2002标准进行评定，其主要元素分析结果见表1。
　　化学成分检验结果表明，该批轴承外圈是由GCrl5钢制造而成，其主要元素符合相关标准要求。
　　2.2 硬度检验
　　在洛氏硬度计上对CW309轴承外圈进行硬度检验，并按照JB/T 1255-2001标准进行评定，结果见表2。由测试结果可知，1#外圈的裂纹两侧硬度值偏低且不均匀，2#外圈硬度值也偏低，均不符合标准要求。
　　2.3 冷酸洗检验
　　依据JB/T 1255-2001标准中的冷酸洗检验规程对CW309轴承外圈进行冷酸洗检验。经检验发现，1#和2#外圈的端面均存在不同程度的烧伤现象（图3）；另外，两外圈的外径表面也都存在沿圆周方向的砂轮花状烧伤现象（图4）。
　　2.4 热酸洗检验
　　依据JB/T 1255-2001标准中的热酸洗检验规程对两个CW309轴承外圈进行热酸洗检验。检验发现1#外圈的裂纹已贯穿整个壁厚（图5）；套圈的一侧端面裂纹呈现为S形和Y形（图6），其他区域均未发现裂纹，且材料致密。2#外圈材料的致密性较差并存在严重的显微孔隙（图7）。
　　2.5 金相检验
　　2.5.1 原材料及淬回火组织
　　从送检的两件外圈上各切取金相试样，经磨制后放置在显微镜下对其原材料及淬回火组织进行检验，评定标准分别采用GB/T 18254-2002和JB/T 1255-2001，腐蚀剂采用4％硝酸酒精，检验结果见表3。检验结果表明，CW309外圈的原材料质量及淬回火组织均符合相关标准要求。
　　2.5.2 显微观察
　　（1）1#外圈。在1#外圈裂纹处取样，经磨制腐蚀后放置在金相显微镜下观察确定，裂纹两侧无脱贫碳现象，但发现两端面均存在不同程度的磨削烧伤变质层，其中一侧端面局部还存在二次淬火烧伤变质层（图8），变质层Z深处约0.3 mm。
　　（2）2#外圈。将2#外圈沿纵向切割取样，在磨制过程中发现纵截面中部存在不同程度的显微孔隙（图9）。依据GB/T 6394-2002标准对2#圈进行晶粒度评定，发现孔隙周围的晶粒度与其他区域的晶粒度无明显区别，平均晶粒度在8级左右。
　　2.6 扫描电镜分析
　　采用JSM-5610LV扫描电子显微镜对2#外圈的断口和磨面进行观察和分析，结果发现，外圈的断口粗糙处晶粒粗大，呈冰糖状（图10）。磨面上孔隙呈不规则尖角状（图11），孔隙内的形貌特征与断口相似。由此可以确定，材料的显微孔隙是由于局部过烧引起的。在断口及磨面孔隙内未发现有非金属夹杂物及其他异常现象。
　　3　结果分析
　　3.1 磨削裂纹
　　套圈在磨削时，如果工艺参数选择不当或操作不当，会导致工作表面温度达到150-200℃，此时表面因马氏体分解，体积缩小，而中心马氏体不收缩，致使表层承受较大拉应力而开裂，此种情况下，一般裂纹与磨削方向垂直，裂纹之间相互平行[1]。有时零件表面瞬时温度会达到820-840℃，其温升速度高达600℃/s，如果冷却不充分，则由于磨削形成的热量足以使表面薄层重新奥氏体化，会发生再次淬火而形成淬火马氏体。此外，磨削形成的热量使零件表面温度升高极快，由此而形成的组织应力和热应力也会导致磨削表面出现磨削裂纹[2]。
　　当磨削热所造成的温度低于轴承钢的相变点Ac1时（轴承钢的相变点为745℃），这时表层中的马氏体与残余奥氏体则发生分解，转变为细点状屈氏体或索氏体组织，为典型的高温回火组织；该组织抗酸的浸蚀能力较差，经冷酸洗后呈暗黑色，并且导致轴承零件的硬度偏低。如果磨削热的温度高于相变点Ac1时，则轴承零件的表层组织由马氏体转变为奥氏体，然后由于冷却液的作用，被二次淬火，形成淬火马氏体和残余奥氏体。
　　二次淬火形成的淬火马氏体未经低温回火，不易受酸的浸蚀，所以在冷酸洗后该处无明显变色，而与其相邻的区域，则呈现为暗黑色的高温回火烧伤，包围着灰白色的二次淬火区域。磨削烧伤处的垂直剖面组织，表面灰白色层为二次淬火组织，该层下面的暗黑色组织为高温回火组织[2]。该CW309外圈的局部表面就存在二次淬火烧伤变质层+高温回火烧伤变质层组织。
　　检验硬度时，发现外圈端面裂纹周围区域硬度低且不均匀；腐蚀后发现外圈端面存在不规则的片状烧伤现象；显微观察时发现此区端面上存在不同程度的烧伤变质层。热酸洗后该端面裂纹区域存在S形和Y形裂纹，此裂纹是典型的磨削裂纹。通常情况下，磨削裂纹深度较浅，但当受到外力作用时易快速扩展而发生断裂甚至破碎。送检的1#外圈发生开裂就是装配过程中磨削裂纹扩展的结果。
　　3.2 轴承钢中存在显微孔隙
　　如果在轴承钢中有显微孔隙存在，将大大降低晶粒间的结合力，这不仅严重影响轴承零件的力学性能，热处理淬火时容易产生淬火裂纹，而且在显微孔隙缺陷处会产生应力集中，使其成为疲劳裂纹源，降低轴承的使用性能和寿命[2]。由扫描电镜检验结果分析可知，造成2#外圈断裂的原因是断口晶粒粗大（组织过烧）而形成的显微孔隙所致。就高碳铬轴承钢而言，从冶炼到加工过程中多种因素可导致形成显微孔隙，主要原因有：一是加热温度过高，导致钢坯中心部位的某些低熔点合金相熔融或半熔融。二是在锻造或材料轧制过程中过烧；三是由某种原因形成的材料撕裂；四是材料成分严重偏析而造成的局部相对过烧心[2]。
　　由于套圈成品经过了多次热加工，显微孔隙周围的晶粒度所表征的仅是外圈锻造退火及淬回火后的晶粒大小，反映的是热处理工艺的恰当与否，而不能确切判定造成材料过烧的根本原因。
　　4　结论
　　CW309叉车轴承的1#外圈端面上的裂纹为磨削裂纹，磨削工艺不当是导致产品产生磨削裂纹的主要原因；2#外圈内存在材料缺陷-显微孔隙，这也是导致其开裂的主要原因。
　　参考文献
　　[1]王广生.金属热处理缺陷分析及案例[M].北京:机械工业出版社.1997.
　　[2]雷建中,杨晓蔚.滚动轴承零件废品分析及图谱[M].洛阳:洛阳轴承研究所,2001.
来源：《轴承》2009年10期
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