摘 要:采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、掃描電鏡和能譜分析、金相檢驗(yàn)、顯微硬度測(cè)試等方法對(duì) 某GCr15鋼軸套斷裂原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明:軸套的斷口呈脆性斷裂特征,斷口的起始位置存 在早期裂紋;磨削工藝不當(dāng)使軸套端面產(chǎn)生磨削燒傷,并導(dǎo)致軸套表面硬度下降。

關(guān)鍵詞:GCr15鋼軸套;斷口;磨削燒傷;早期裂紋

中圖分類(lèi)號(hào):TG115.2;TB31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2023)04-0046-03

GCr15鋼是一種高碳鉻軸承鋼,具有合金含量 少、綜合性能好、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)[1-3]。GCr15鋼經(jīng)過(guò) 熱處理后,其表面硬度可以達(dá)到60~64HRC,具有硬 度高、表面均勻、耐磨性好、接觸疲勞強(qiáng)度高等特 點(diǎn)[4],被廣泛用于制造內(nèi)燃機(jī)、電機(jī)車(chē)、機(jī)床、拖拉機(jī), 以及礦山機(jī)械等設(shè)備的鋼球、滾子和軸套[5]。在對(duì) GCr15鋼進(jìn)行熱處理[6]、機(jī)械加工(磨削)和表面處理 (氧化)的過(guò)程中,其產(chǎn)品容易出現(xiàn)不同程度的裂 紋[7],從而在后續(xù)的實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)早期失效。

某批次的GCr15鋼軸套發(fā)生斷裂,筆者采用宏 觀觀察、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡(SEM) 和能譜分析、顯微硬度測(cè)試等方法對(duì)其斷裂原因進(jìn) 行分析,以防止該類(lèi)問(wèn)題再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

GCr15鋼軸套的宏觀形貌如圖1所示,由圖1 可知:該GCr15鋼軸套外圈表面存在一條沿著軸套 軸向分布的裂紋,并貫穿整個(gè)軸套,斷口比較平齊, 且沒(méi)有明顯的塑性變形,呈脆性斷裂特征。斷裂面 呈亮白色,裂紋起始端存在灰黑色的圓弧區(qū)域。

1.2 化學(xué)成分分析

在軸套上取樣,并對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,其 化學(xué)成分分析結(jié)果為:C元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.01%, Si元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%,Mn元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.34%,Cr元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.49%。從分析結(jié)果 可以看出,軸套的材料符合GB/T18254—2016《高 碳鉻軸承鋼》的要求。

1.3 掃描電鏡和能譜分析

對(duì)斷口處進(jìn)行掃描電鏡和能譜分析,結(jié)果如圖 2所示。由圖2可知:斷口源區(qū)呈白色顆粒狀,并有 明顯的二次裂紋,在晶界面上存在氣孔或其他粒子 脫落留下的小孔,斷裂擴(kuò)展區(qū)域呈脆性斷裂和韌性 斷裂特征。

對(duì)圖2a)中 A區(qū)域的裂紋起始位置進(jìn)行能譜分 析,結(jié)果如圖2d)和2e)所示。由圖2d)可知,在裂 紋起始位置的斷口表面上富集了O、Zn、Na、Fe、C等元素。由圖2e)可知,裂紋起始位置存在明顯的鋅 層,厚度為24~65μm。測(cè)得的鋅層厚度為表面正 常鍍鋅層厚度和鋅滲入到早期裂紋斷口表面厚度之 和。由于對(duì)軸套進(jìn)行磨削加工后會(huì)鍍鋅,因此可以 判定,裂紋應(yīng)該出現(xiàn)在鍍鋅表面處理工藝之前。

1.4 金相檢驗(yàn)

在裂紋附近截取金相試樣,用體積分?jǐn)?shù)為4% 的硝酸乙醇溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕,將其放置在光學(xué) 顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知:心部 組織主要為回火馬氏體和少量顆粒狀碳化物,軸套 心部完全淬透。軸套表面分布著一層13~17μm 的鍍鋅層,從鍍鋅層的厚度可以判定,斷面上的鋅層 是滲入層,不是表面的鍍鋅層。

為了進(jìn)一步分析軸套斷裂原因,在斷裂起始位 置制取試樣(平行于裂紋表面),將其磨制拋光后,用 體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液進(jìn)行腐蝕,并在光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖4a)所示。從圖4a)中可 以看出,A區(qū)域近表層存在發(fā)黑現(xiàn)象。

對(duì)未進(jìn)行鍍鋅的一組零件進(jìn)行檢測(cè),采用體積 分?jǐn)?shù)為8%的硝酸乙醇溶液對(duì)其進(jìn)行腐蝕,沖洗后 放入體積分?jǐn)?shù)為10%的鹽酸乙醇溶液中,沖洗后觀 察軸套端面的狀態(tài)[見(jiàn)圖4b)]。由圖4b)可知:B 區(qū)域?yàn)檩S套端面位置,在該處有一段深黑色區(qū)域。 沿著軸向方向取樣,磨制拋光后,用體積分?jǐn)?shù)為4% 的硝酸乙醇溶液腐蝕,可見(jiàn)C區(qū)域近表層同樣存在 發(fā)黑現(xiàn)象[見(jiàn)圖4c)]。

1.5 顯微硬度測(cè)試

利用 顯 微 硬 度 計(jì) 測(cè) 試 軸 套 端 部 表 面 往 內(nèi) 2mm處的維氏硬度,結(jié)果如圖5所示。由圖5可 知,沒(méi)有經(jīng)過(guò)磨削工藝的軸套表層的硬度為714~ 728HV;軸套心部硬度為720HV。對(duì)比3組試樣 的硬度分布可知:斷裂試樣和未鍍鋅試樣中黑色區(qū) 域(小于0.2mm深度)的硬度明顯低于未經(jīng)過(guò)磨削 加工試樣(小于0.2mm 深度)的硬度,軸套的斷裂 區(qū)域存在二次回火現(xiàn)象,造成了該區(qū)域存在軟化區(qū)。

2 綜合分析

軸套在安裝之前就已經(jīng)存在早期裂紋,因?yàn)閺? 斷口的微區(qū)成分分析結(jié)果可以看出,在斷裂的起始 面上存在24~65μm的鋅滲入層,并且在擴(kuò)展區(qū)的 起始位置也發(fā)現(xiàn)了少量的鋅。根據(jù)軸套的加工工藝 過(guò)程可以判定,早期裂紋出現(xiàn)在鍍鋅工藝處理之前。

磨削燒傷使零件表面產(chǎn)生的缺陷主要分為:二 次淬火燒傷、回火燒傷[8]和裂紋[9]。在磨削加工過(guò) 程中,零件表面的溫度超過(guò)了回火溫度,但是沒(méi)有超 過(guò)鋼的奧氏體化溫度,此時(shí)就會(huì)在零件的表面產(chǎn)生回火,即二次回火。燒傷的部位會(huì)形成軟區(qū),在表面 形成拉應(yīng)力[10],在應(yīng)力的作用下會(huì)發(fā)生塑性變形, 一旦應(yīng)力超過(guò)材料的屈服點(diǎn),會(huì)發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象。從 測(cè)試的結(jié)果可以看出,兩組試樣分別是裂紋試樣和 未鍍鋅試樣,在試樣近表面都發(fā)現(xiàn)了材料硬度下降 的現(xiàn)象,所以軸套斷裂的原因是磨削加工工藝不當(dāng)。 調(diào)查發(fā)現(xiàn):該批次的軸套高度磨削采用的是手動(dòng)粗 磨,這會(huì)導(dǎo)致局部散熱不良,從而大大影響工件的質(zhì) 量,使軸套端面產(chǎn)生磨削燒傷。在鍍鋅工藝過(guò)程中, 有部分電解質(zhì)溶液滲入到裂紋表面,使早期裂紋表 面富集了大量的鋅元素,在后續(xù)軸套的安裝過(guò)程中, 應(yīng)力過(guò)大造成軸套的整體斷裂。

3 結(jié)論

(1)軸套的斷口呈脆性斷裂特征,軸套斷裂的 起源處存在早期裂紋。

(2)早期裂紋的產(chǎn)生原因是軸套端面產(chǎn)生磨削 燒傷,導(dǎo)致軸套表面燒傷區(qū)域硬度下降,在表面拉應(yīng) 力的作用下,軸承斷裂。

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