郭 浩１ ２ ３,雷建中２,張永振３,扈林莊２

(１．機械科學研究總院 武漢材料保護研究所特種表面保護材料及應用國家重點實驗室,武漢 ４３００３０;

３．洛陽軸承研究所有限公司,洛陽 ４７１０２９;

２．河南科技大學 高端軸承摩擦學技術與應用國家地方聯(lián)合工程實驗室,洛陽 ４７１０２３)

摘 要:概括了鋼球失效的影響因素及其常見缺陷類型和特征,并通過宏觀觀察、微觀形貌分析、硬度測試、化學成分分析、熱酸洗試驗、極點受力試驗等方法對軸承鋼球失效的原因進行了分析.結果表明:鋼球的制造過程、后續(xù)儲存和保管及使用過程均影響鋼球質量,進而對鋼球壽命產生影響,最終影響滾動軸承壽命.實例分析中鋼球因回火時間不足使得回火穩(wěn)定性不合格且存在超標的網狀碳化物,導致其承載能力相對偏低而斷裂.

關鍵詞:鋼球;失效分析;回火穩(wěn)定性;網狀碳化物

中圖分類號:TG１１５ 文獻標志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０９Ｇ０６６２Ｇ０７

滾動軸承作為重要的基礎零部件,在工業(yè)中應用廣泛,尤其在苛刻條件下的應用逐漸增多,工業(yè)上對軸承性能(如高可靠性等)的要求也越來越高.因此,有必要采取措施提高滾動軸承的壽命.滾動軸承一旦失效必然會造成相應重要工程設備的重大損失,因此應當重視滾動軸承的失效分析[１Ｇ５].眾所周知,滾動體是滾動軸承的重要零件之一,其壽命一定程度上決定了滾動軸承的壽命[６].對３１４００套軸承試驗進行統(tǒng)計發(fā)現:對于深溝球軸承,鋼球失效引起軸承失效的比例為２０％;對于角接觸球軸承,鋼球失效引起軸承失效的比例則為 ４５．２％.因此有必要了解滾動體的制造過程,從而了解其失效的影響因素進而掌握其失效機理,以便改進滾動體質量以及為軸承設計和延長軸承壽命提供理論和數據支持.

鋼球是滾動軸承最常見的滾動體之一,鋼球規(guī)格不同,成型方式亦不同.按照鋼球直徑大小,鋼球常見的成型方式有冷鐓、熱軋和熱鍛造.另外,鋼球多由棒材加工而成,成品鋼球均有加工流線.因此,業(yè)內通常把鋼球沿鋼材軋制方向截面局部區(qū)域稱為極點區(qū),與之垂直的沿鋼球中部圓周方向區(qū)域稱為鋼球赤道.因此,可以按照缺陷產生部位把鋼球劃分為３個部分(１為極點區(qū),２為鋼球其他部位,３為赤道區(qū)),如圖１所示.了解了鋼球的加工特征后還需了解鋼球的制造

過程,包括原材料、加工成型(冷熱加工)、熱處理、磨削、后續(xù)防銹、保管及服役過程,進而掌握鋼球常見缺陷形式及缺陷部位.鋼球的每個加工步驟均會影響鋼球質量,進而對鋼球壽命產生影響,最終影響滾動軸承的壽命[７Ｇ８].已有文獻對失效鋼球實例進行分析,認 為 材 料 因 素 (縮 孔 殘 余[９Ｇ１０]、冶 金 翻 皮[１１]等)、淬火裂紋[１２]、加工裂紋[１３]等是引起鋼球失效的主要原因.然而,鋼球失效的影響因素較多且特征不同,文獻僅僅是對失效鋼球實例進行分析而未進行系統(tǒng)總結,因此筆者以鋼球制造過程為主線,對鋼球失效的影響因素進行了歸納總結,重點概況了各個影響因素常見缺陷的類型、特征及產生原因.最后對失效鋼球實例即轉盤軸承失效鋼球進行了失效分析,查明了導致其失效的主要原因.

１ 鋼球失效的影響因素及常見缺陷特征鋼球失效的影響因素如圖２所示.對鋼球進行失效分析,必須了解鋼球失效的主要影響因素以及鋼球從原材料到制造再到服役過程的常見缺陷,才能有效預防缺陷的產生進而提高鋼球質量,最終提高其壽命.

１．１ 材料冶金因素

鋼球材料質量顯著影響鋼球的性能,而材料質量又不可避免地會受其化學成分和冶煉技術的影響.針對鋼球材料冶金因素,鋼球常見的冶金缺陷主要有材料裂紋、縮孔殘余、冶金翻皮、白點等.材料裂紋垂直于鋼球赤道,沿材料軋制方向分布,裂紋兩側嚴重脫碳并常伴有灰色氧化皮,主要原因是嚴重的非金屬夾雜物、過高的加熱溫度和鍛軋后冷卻速度過快等.縮孔殘余為沿軸向的疏松條帶,主要存在于鋼球心部,產生原因為鋼液在鋼錠模中凝固時,由于體積的收縮而形成的孔穴和孔洞沒有被清除.冶金翻皮組織與基體不同,常伴有嚴重脫碳層且主要存在于鋼球表面,是表層鋼液被卷入鋼錠中而形成的.白點為氫所引起的一種內部裂紋缺陷.若成品鋼球存在材料冶金缺陷,則必然會導致鋼球早期失效,因此須采取措施預防.

１．２ 制造與裝配因素

成品軸承鋼球的性能與鋼球的加工工藝及熱處理質量有關.隨著鋼材冶煉水平的提高,鋼材質量也有了大幅度的提升,因此鋼球的加工工藝(熱加工和冷加工)及熱處理質量日益受到重視.研究表明,工具磨損以及機加工條件均影響鋼球表面的顯微硬度以及殘余應力分布,進而影響疲勞壽命[１４];同時,硬車削工藝以及磨削表面質量均影響鋼球滾動接觸疲勞性能[１５Ｇ１６].機加工使鋼球零件成型,而熱處理則保證了鋼球的性能(硬度、強度等),因此熱處理質量對鋼球質量影響較大.常見的制造與裝配因素缺陷包括熱加工裂紋、熱處理裂紋、磨削燒傷、擠壓和磕碰傷等,具體見表１.

１．３ 環(huán)境因素

隨著科學技術的發(fā)展,軸承的服役環(huán)境(真空、高溫、強磁場、大電流)越來越苛刻,對軸承性能的要求不斷提高,因此對鋼球質量的要求也日益嚴格.影響鋼球質量的環(huán)境因素主要是腐蝕(酸蝕和氧化銹蝕),通常產生于鋼球表面,呈大小不等的斑點或孔洞缺陷,大多隨機分布且較淺,邊界自然,無明顯損傷,根據底部的顯微組織可大致確定缺陷產生的工序,一般都是因鋼球管理維護不當而引起.

１．４ 服役條件

鋼球在軸承內高速滾動(自旋和公轉)起到傳遞載荷的作用.一方面單位時間內摩擦引起溫度增加,溫度增加引起潤滑油特性改變,進而影響鋼球滾動軸承接觸疲勞壽命;另一方面,速度增加,滾動體離心力增加,表層應力分布改變,切應力增大,進而

對滾動體接觸疲勞壽命產生影響.另外,滾動體與接觸面間的滑動不可避免,滑動會降低鋼球的公轉速度,同時接觸表面除了存在法向應力,還會產生切應力分量,由此產生較高的次表面應力,降低疲勞壽命[１７].研究表明,滾動軸承接觸面應力隨載荷的增加而增大且與載荷呈函數關系[１８];滾動軸承結構不同,鋼球接觸面間載荷分布也不同.另外,軸承服役條件十分復雜,沒有任何一種或一類潤滑能滿足所有服役條件.故針對特定的服役條件,潤滑狀態(tài)(潤滑膜厚度、潤滑劑的污染、潤滑劑相互作用等[１９Ｇ２０])對鋼球壽命也有很大影響.針對服役條件,引起鋼球產生失效的主要缺陷有鋼球載荷異常、潤滑不良及潤滑劑污染.

２ 轉盤軸承鋼球失效分析實例

鋼球失效的影響因素眾多且彼此之間又相互影響.因此在具體的鋼球失效分析時,只有查找導致鋼球失效的主要因素,才能更好地采取預防措施.另外,掌握了如上所述的鋼球常見質量缺陷特征,進行鋼球失效分析時,更有利于準確分析失效原因.

另外進行失效分析時還要遵循一定的原則,對此文獻[２１Ｇ２２]有詳細的論述.下面以轉盤軸承失效鋼球為實例,進行實例分析.

２．１ 概況

現 有 若 干 粒 材 料 為 GCr１５ 連 鑄 鋼 的?２８．５７５mm鋼球(僅有兩粒相對完整,其他均為破碎鋼球,如圖３所示).這些鋼球裝配在轉盤軸承內使用約一個月即失效了,而其額定壽命為一年.鋼球為熱軋成型,其淬回火工藝為:８４０℃保溫５０min后淬火＋１６０ ℃回火４０min.需要說明的是,鋼球作為滾動軸承的重要零件之一,對其失效分析要綜

合考慮其材料質量、制造質量、服役條件和環(huán)境因素,還要結合軸承特征進行綜合分析.

２．２ 宏觀形貌

由圖３可知,鋼球表面布滿缺陷且表面損傷嚴重;破碎鋼球的斷口表面及其邊緣光滑.仔細觀察鋼球斷裂面的裂紋走向可以確定,破碎鋼球多數是從一處開裂并向心部擴展的,如圖４所示.

２．３ 微觀形貌

將表面有較多麻點缺陷的半粒鋼球使用超聲波清洗、烘 干 后,采 用 JSMＧ６３８０LV 型 掃 描 電 鏡(SEM),對其工作表面上的其中３處缺陷(分別編號為 A,B,C,如圖５所示)形貌進行變倍觀察,可見鋼球表面缺陷為程度不同、形狀各異的墊傷和擠壓傷.選擇 A 處缺陷進行放大觀察,如圖６所示,可見擠壓坑邊緣均有微裂紋,其他未見異常.

２．４ 硬度測試及回火穩(wěn)定性試驗

選同批次鋼球采用２００HRSＧ１５０型數顯洛氏硬度計測試鋼球硬度及其均勻性,同時采用相同的熱處理工藝(８４０ ℃保溫５０min后淬火＋１６０ ℃回火４０min)對兩粒同批鋼球進行回火穩(wěn)定性試驗,結果見表３和表４.依據JB/T１２５５－２０１４«滾動軸承高碳鉻軸承鋼零件 熱處理技術條件»進行評判可知,鋼球的基體硬度及其均勻性均符合標準要求,但回火穩(wěn)定性不符合標準要求.

２．５ 壓碎載荷試驗

依據JB/T１２５５－２０１４附錄 B 對同批次鋼球進行壓碎載荷試驗(鋼球壓力值大于標準值即停止加載),結果見表５,可見鋼球壓碎載荷值符合標準要求.

２．６ 化學成分分析

采用SPECTRO M９型直讀光譜儀對鋼球進行化 學成分分析,結果見表６.可見鋼球的化學成分符合 GB/T１８２５４－２０１６«高碳鉻軸承鋼»的要求.

２．７ 金相檢驗

將失效鋼球橫向切開磨制成金相試樣,對其進行觀察可知,鋼球表面有較多自表面向內部擴展的裂 紋,如 圖 ７ 所 示,其 非 金 屬 夾 雜 物 含 量 符 合GB/T１８２５４－２０１６的要求.用４％(體積分數)的硝酸酒精溶液侵蝕試樣,并放置在金相顯微鏡下觀察其顯微組織,如圖８和圖９所示,可見鋼球表面有燒傷組織,裂紋最大深度為０．２４mm,周圍無脫碳現象,鋼球的淬回火顯微組織為細小針狀馬氏體＋細小殘留碳化物＋少量殘余奧氏體,依據JB/T１２５５－２０１４評定為３級,符合標準要求.鋼球的網狀碳化物形貌如圖１０所示,依據標準評定為３級,不符合JB/T１２５５－２０１４的要求.同批次未使用的鋼球表面未見燒傷組織.

２．８ 熱酸洗試驗

選３粒破碎鋼球按照JB/T１２５５－２０１４進行熱酸洗試驗.結果如下:其中一粒鋼球表面有圓弧狀小裂紋,如圖１１所示;另外兩粒鋼球初始斷裂處在鋼球極點附近,斷裂面與流線方向平行,如圖１２所示.

２．９ 極點受力對比試驗

采用同一廠家生產的同批次鋼球進行兩極點受力試驗.首先,將鋼球放入５０％(質量分數)的鹽酸水溶液中加熱,直至鋼球出現極點以便確認鋼球極點位置,如圖１３所示.由于加熱過程引入了腐蝕應力,因此酸洗前后任取兩粒鋼球,各測量３處應力值,結 果 見 表 ７,可 見 兩 鋼 球 腐 蝕 應 力 值 相 差２５MPa,可認為腐蝕應力影響條件一致.然后,對酸洗后鋼球隨機分為a~f共６組(每組３粒鋼球).a~c組對極點方向連續(xù)施加載荷,直至鋼球碎裂,共４粒鋼球碎裂,如圖１４所示;d~f組對垂直極點方向連續(xù)施加載荷直至鋼球碎裂,共４粒鋼球碎裂,如圖１５所示.圖１６為碎裂鋼球的斷口形貌.可見沿極點方向加載,鋼球均沿極點方向碎裂,但沿垂直極點方向加載,鋼球雖沿加載處碎裂,但極點處亦有裂紋擴展痕跡.鋼球壓碎試驗結果見表８,可見沿垂直極點方向鋼球的壓碎值是沿極點方向鋼球壓碎值的１．５２倍,說明極點處抗壓強度低.

２．１０ 分析與結論

鋼球的材料及淬回火組織均符合相關標準要求,但回火穩(wěn)定性和網狀碳化物均不符合相關標準要求.同批次未使用鋼球表面顯微組織未發(fā)現燒傷組織,而失效鋼球表面存在局部燒傷組織,說明燒傷為運轉過程中產生且可以排除鋼球潤滑不良的影響.從鋼球的損傷情況可以看出,缺陷及其微裂紋均起源于表面,可能是因個別鋼球破碎后造成的;鋼球表面損傷后不僅使軸承潤滑狀態(tài)改變還會使軸承所承受的接觸應力增大,當外加載荷超過鋼球的承載能力時,更多數量的鋼球就會發(fā)生破碎,如此形成了惡性循環(huán)并造成未破碎鋼球表面局部顯微組織出現燒傷現象.同時,鋼球極點區(qū)是鋼球的薄弱區(qū),當同等大小的載荷施加在極點處時更易導致鋼球斷裂.從鋼球的整個淬回火工藝過程來看,其回火時間偏短導致了回火穩(wěn)定性不合格且網狀碳化物超標(破壞了材料的連續(xù)性),當內應力疊加、偏大時就導致承載能力不足的鋼球開裂或破碎.

２．１１ 結論及建議

鋼球回火時間不足使得回火穩(wěn)定性不合格且存在超標的網狀碳化物,導致其承載能力相對偏低而斷裂.建議適當延長回火時間,提高鋼球的承載能力,同時采取措施改善鋼球網狀碳化物的分布.

３ 結束語

如前所述,鋼 球 的 制 造 過 程 (原 材 料、加 工 成型、熱處理、磨削)、后續(xù)儲存和保管及使用過程均影響鋼球質量,進而對鋼球壽命產生影響,最終影響滾動軸承壽命.鋼球失效的影響因素很多且互相影響,通過 對 失 效 鋼 球 進 行 失 效 分 析 可 以 了 解鋼球整個制 造 過 程 和 服 役 狀 態(tài),從 而 掌 握 鋼 球 失效機理,進 而 提 出 改 進 措 施,為 改 進 鋼 球 制 造 工藝,提高成品鋼球質量和軸承設計提供依據,最終提高軸承壽命。