摘 要:采用宏觀觀察、化學成分分析、掃描電鏡和能譜分析、金相檢驗、顯微硬度測試等方法對 某GCr15鋼軸套斷裂原因進行分析。結果表明: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;磨削工藝不當使軸套端面產(chǎn)生磨削燒傷,并導致軸套表面硬度下降。
關鍵詞:GCr15鋼軸套;斷口;磨削燒傷;早期裂紋
中圖分類號:TG115.2;TB31 文獻標志碼:B 文章編號: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、應用廣泛等特點[1-3]。GCr15鋼經(jīng)過 熱處理后,其表面硬度可以達到60~64HRC,具有硬 度高、表面均勻、耐磨性好、接觸疲勞強度高等特 點[4],被廣泛用于制造內(nèi)燃機、電機車、機床、拖拉機, 以及礦山機械等設備的鋼球、滾子和軸套[5]。在對 GCr15鋼進行熱處理[6]、機械加工(磨削)和表面處理 (氧化)的過程中,其產(chǎn)品容易出現(xiàn)不同程度的裂 紋[7],從而在后續(xù)的實際應用中出現(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、化學成分分析、金相檢驗、掃描電鏡(SEM) 和能譜分析、顯微硬度測試等方法對其斷裂原因進 行分析,以防止該類問題再次發(fā)生。
1 理化檢驗
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,并貫穿整個軸套,斷口比較平齊, 且沒有明顯的塑性變形,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 化學成分分析
在軸套上取樣,并對試樣進行化學成分分析,其 化學成分分析結果為:C元素的質量分數(shù)為1.01%, Si元素的質量分數(shù)為0.3%,Mn元素的質量分數(shù)為 0.34%,Cr元素的質量分數(shù)為1.49%。從分析結果 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
對斷口處進行掃描電鏡和能譜分析,結果如圖 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,斷裂擴展區(qū)域呈脆性斷裂和韌性 斷裂特征。
對圖2a)中 A區(qū)域的裂紋起始位置進行能譜分 析,結果如圖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。由于對軸套進行磨削加工后會鍍鋅,因此可以 判定,裂紋應該出現(xiàn)在鍍鋅表面處理工藝之前。
1.4 金相檢驗
在裂紋附近截取金相試樣,用體積分數(shù)為4% 的硝酸乙醇溶液對試樣進行腐蝕,將其放置在光學 顯微鏡下觀察,結果如圖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 體積分數(shù)為4%的硝酸乙醇溶液進行腐蝕,并在光學顯微鏡下觀察,結果如圖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。
對未進行鍍鋅的一組零件進行檢測,采用體積 分數(shù)為8%的硝酸乙醇溶液對其進行腐蝕,沖洗后 放入體積分數(shù)為10%的鹽酸乙醇溶液中,沖洗后觀 察軸套端面的狀態(tài)[見圖4b)]。由圖4b)可知:B 區(qū)域為軸套端面位置,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,用體積分數(shù)為4% 的硝酸乙醇溶液腐蝕,可見C區(qū)域近表層同樣存在 發(fā)黑現(xiàn)象[見圖4c)]。
1.5 顯微硬度測試
利用 顯 微 硬 度 計 測 試 軸 套 端 部 表 面 往 內(nèi) 2mm處的維氏硬度,結果如圖5所示。由圖5可 知,沒有經(jīng)過磨削工藝的軸套表層的硬度為714~ 728HV;軸套心部硬度為720HV。對比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,因為從 斷口的微區(qū)成分分析結果可以看出,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 程中,零件表面的溫度超過了回火溫度,但是沒有超 過鋼的奧氏體化溫度,此時就會在零件的表面產(chǎn)生回火,即二次回火。燒傷的部位會形成軟區(qū),在表面 形成拉應力[10],在應力的作用下會發(fā)生塑性變形, 一旦應力超過材料的屈服點,會發(fā)生開裂現(xiàn)象。從 測試的結果可以看出,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。 調查發(fā)現(xiàn):該批次的軸套高度磨削采用的是手動粗 磨,這會導致局部散熱不良,從而大大影響工件的質 量,使軸套端面產(chǎn)生磨削燒傷。在鍍鋅工藝過程中, 有部分電解質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)軸套的安裝過程中, 應力過大造成軸套的整體斷裂。
3 結論
(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,導致軸套表面燒傷區(qū)域硬度下降,在表面拉應 力的作用下,軸承斷裂。
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