郭 浩１ ２ ３,雷建中２,張永振３,扈林莊２

(１．機(jī)械科學(xué)研究總院 武漢材料保護(hù)研究所特種表面保護(hù)材料及應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 ４３００３０;

３．洛陽(yáng)軸承研究所有限公司,洛陽(yáng) ４７１０２９;

２．河南科技大學(xué) 高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,洛陽(yáng) 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(cè)試、化學(xué)成分分析、熱酸洗試驗(yàn)、極點(diǎn)受力試驗(yàn)等方法對(duì)軸承鋼球失效的原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:鋼球的制造過程、后續(xù)儲(chǔ)存和保管及使用過程均影響鋼球質(zhì)量,進(jìn)而對(duì)鋼球壽命產(chǎn)生影響,最終影響滾動(dòng)軸承壽命.實(shí)例分析中鋼球因回火時(shí)間不足使得回火穩(wěn)定性不合格且存在超標(biāo)的網(wǎng)狀碳化物,導(dǎo)致其承載能力相對(duì)偏低而斷裂.

關(guān)鍵詞:鋼球;失效分析;回火穩(wěn)定性;網(wǎng)狀碳化物

中圖分類號(hào):TG１１５ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)０９Ｇ０６６２Ｇ０７

滾動(dòng)軸承作為重要的基礎(chǔ)零部件,在工業(yè)中應(yīng)用廣泛,尤其在苛刻條件下的應(yīng)用逐漸增多,工業(yè)上對(duì)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(dòng)軸承的壽命.滾動(dòng)軸承一旦失效必然會(huì)造成相應(yīng)重要工程設(shè)備的重大損失,因此應(yīng)當(dāng)重視滾動(dòng)軸承的失效分析[１Ｇ５].眾所周知,滾動(dòng)體是滾動(dòng)軸承的重要零件之一,其壽命一定程度上決定了滾動(dòng)軸承的壽命[６].對(duì)３１４００套軸承試驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn):對(duì)于深溝球軸承,鋼球失效引起軸承失效的比例為２０％;對(duì)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(dòng)體的制造過程,從而了解其失效的影響因素進(jìn)而掌握其失效機(jī)理,以便改進(jìn)滾動(dòng)體質(zhì)量以及為軸承設(shè)計(jì)和延長(zhǎng)軸承壽命提供理論和數(shù)據(jù)支持.

鋼球是滾動(dòng)軸承最常見的滾動(dòng)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(nèi)通常把鋼球沿鋼材軋制方向截面局部區(qū)域稱為極點(diǎn)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(chǎn)生部位把鋼球劃分為３個(gè)部分(１為極點(diǎn)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(jìn)而掌握鋼球常見缺陷形式及缺陷部位.鋼球的每個(gè)加工步驟均會(huì)影響鋼球質(zhì)量,進(jìn)而對(duì)鋼球壽命產(chǎn)生影響,最終影響滾動(dòng)軸承的壽命[７Ｇ８].已有文獻(xiàn)對(duì)失效鋼球?qū)嵗M(jìn)行分析,認(rèn) 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(xiàn)僅僅是對(duì)失效鋼球?qū)嵗M(jìn)行分析而未進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié),因此筆者以鋼球制造過程為主線,對(duì)鋼球失效的影響因素進(jìn)行了歸納總結(jié),重點(diǎn)概況了各個(gè)影響因素常見缺陷的類型、特征及產(chǎn)生原因.最后對(duì)失效鋼球?qū)嵗崔D(zhuǎn)盤軸承失效鋼球進(jìn)行了失效分析,查明了導(dǎo)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(duì)鋼球進(jìn)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(yù)防缺陷的產(chǎn)生進(jìn)而提高鋼球質(zhì)量,最終提高其壽命.

１．１ 材料冶金因素

鋼球材料質(zhì)量顯著影響鋼球的性能,而材料質(zhì)量又不可避免地會(huì)受其化學(xué)成分和冶煉技術(shù)的影響.針對(duì)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(diǎn)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(cè)嚴(yán)重脫碳并常伴有灰色氧化皮,主要原因是嚴(yán)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(chǎn)生原因?yàn)殇撘涸阡撳V模中凝固時(shí),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(yán)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(diǎn)為氫所引起的一種內(nèi)部裂紋缺陷.若成品鋼球存在材料冶金缺陷,則必然會(huì)導(dǎo)致鋼球早期失效,因此須采取措施預(yù)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(zhì)量有關(guān).隨著鋼材冶煉水平的提高,鋼材質(zhì)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(zhì)量日益受到重視.研究表明,工具磨損以及機(jī)加工條件均影響鋼球表面的顯微硬度以及殘余應(yīng)力分布,進(jìn)而影響疲勞壽命[１４];同時(shí),硬車削工藝以及磨削表面質(zhì)量均影響鋼球滾動(dòng)接觸疲勞性能[１５Ｇ１６].機(jī)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(qiáng)度等),因此熱處理質(zhì)量對(duì)鋼球質(zhì)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(xué)技術(shù)的發(fā)展,軸承的服役環(huán)境(真空、高溫、強(qiáng)磁場(chǎng)、大電流)越來越苛刻,對(duì)軸承性能的要求不斷提高,因此對(duì)鋼球質(zhì)量的要求也日益嚴(yán)格.影響鋼球質(zhì)量的環(huán)境因素主要是腐蝕(酸蝕和氧化銹蝕),通常產(chǎn)生于鋼球表面,呈大小不等的斑點(diǎn)或孔洞缺陷,大多隨機(jī)分布且較淺,邊界自然,無明顯損傷,根據(jù)底部的顯微組織可大致確定缺陷產(chǎn)生的工序,一般都是因鋼球管理維護(hù)不當(dāng)而引起.

１．４ 服役條件

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

對(duì)滾動(dòng)體接觸疲勞壽命產(chǎn)生影響.另外,滾動(dòng)體與接觸面間的滑動(dòng)不可避免,滑動(dòng)會(huì)降低鋼球的公轉(zhuǎn)速度,同時(shí)接觸表面除了存在法向應(yīng)力,還會(huì)產(chǎn)生切應(yīng)力分量,由此產(chǎn)生較高的次表面應(yīng)力,降低疲勞壽命[１７].研究表明,滾動(dòng)軸承接觸面應(yīng)力隨載荷的增加而增大且與載荷呈函數(shù)關(guān)系[１８];滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)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(fù)雜,沒有任何一種或一類潤(rùn)滑能滿足所有服役條件.故針對(duì)特定的服役條件,潤(rùn)滑狀態(tài)(潤(rùn)滑膜厚度、潤(rùn)滑劑的污染、潤(rùn)滑劑相互作用等[１９Ｇ２０])對(duì)鋼球壽命也有很大影響.針對(duì)服役條件,引起鋼球產(chǎn)生失效的主要缺陷有鋼球載荷異常、潤(rùn)滑不良及潤(rùn)滑劑污染.

２ 轉(zhuǎn)盤軸承鋼球失效分析實(shí)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(shí),只有查找導(dǎo)致鋼球失效的主要因素,才能更好地采取預(yù)防措施.另外,掌握了如上所述的鋼球常見質(zhì)量缺陷特征,進(jìn)行鋼球失效分析時(shí),更有利于準(zhǔn)確分析失效原因.

另外進(jìn)行失效分析時(shí)還要遵循一定的原則,對(duì)此文獻(xiàn)[２１Ｇ２２]有詳細(xì)的論述.下面以轉(zhuǎn)盤軸承失效鋼球?yàn)閷?shí)例,進(jìn)行實(shí)例分析.

２．１ 概況

現(xiàn) 有 若 干 粒 材 料 為 GCr１５ 連 鑄 鋼 的?２８．５７５mm鋼球(僅有兩粒相對(duì)完整,其他均為破碎鋼球,如圖３所示).這些鋼球裝配在轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)使用約一個(gè)月即失效了,而其額定壽命為一年.鋼球?yàn)闊彳埑尚?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(dòng)軸承的重要零件之一,對(duì)其失效分析要綜

合考慮其材料質(zhì)量、制造質(zhì)量、服役條件和環(huán)境因素,還要結(jié)合軸承特征進(jìn)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(yán)重;破碎鋼球的斷口表面及其邊緣光滑.仔細(xì)觀察鋼球斷裂面的裂紋走向可以確定,破碎鋼球多數(shù)是從一處開裂并向心部擴(kuò)展的,如圖４所示.

２．３ 微觀形貌

將表面有較多麻點(diǎn)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(duì)其工作表面上的其中３處缺陷(分別編號(hào)為 A,B,C,如圖５所示)形貌進(jìn)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(jìn)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(cè)試及回火穩(wěn)定性試驗(yàn)

選同批次鋼球采用２００HRSＧ１５０型數(shù)顯洛氏硬度計(jì)測(cè)試鋼球硬度及其均勻性,同時(shí)采用相同的熱處理工藝(８４０ ℃保溫５０min后淬火＋１６０ ℃回火４０min)對(duì)兩粒同批鋼球進(jìn)行回火穩(wěn)定性試驗(yàn),結(jié)果見表３和表４.依據(jù)JB/T１２５５－２０１４«滾動(dòng)軸承高碳鉻軸承鋼零件 熱處理技術(shù)條件»進(jìn)行評(píng)判可知,鋼球的基體硬度及其均勻性均符合標(biāo)準(zhǔn)要求,但回火穩(wěn)定性不符合標(biāo)準(zhǔn)要求.

２．５ 壓碎載荷試驗(yàn)

依據(jù)JB/T１２５５－２０１４附錄 B 對(duì)同批次鋼球進(jìn)行壓碎載荷試驗(yàn)(鋼球壓力值大于標(biāo)準(zhǔn)值即停止加載),結(jié)果見表５,可見鋼球壓碎載荷值符合標(biāo)準(zhǔn)要求.

２．６ 化學(xué)成分分析

采用SPECTRO M９型直讀光譜儀對(duì)鋼球進(jìn)行化 學(xué)成分分析,結(jié)果見表６.可見鋼球的化學(xué)成分符合 GB/T１８２５４－２０１６«高碳鉻軸承鋼»的要求.

２．７ 金相檢驗(yàn)

將失效鋼球橫向切開磨制成金相試樣,對(duì)其進(jìn)行觀察可知,鋼球表面有較多自表面向內(nèi)部擴(kuò)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?jǐn)?shù))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(xiàn)象,鋼球的淬回火顯微組織為細(xì)小針狀馬氏體＋細(xì)小殘留碳化物＋少量殘余奧氏體,依據(jù)JB/T１２５５－２０１４評(píng)定為３級(jí),符合標(biāo)準(zhǔn)要求.鋼球的網(wǎng)狀碳化物形貌如圖１０所示,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定為３級(jí),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(yàn)

選３粒破碎鋼球按照J(rèn)B/T１２５５－２０１４進(jìn)行熱酸洗試驗(yàn).結(jié)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(diǎn)附近,斷裂面與流線方向平行,如圖１２所示.

２．９ 極點(diǎn)受力對(duì)比試驗(yàn)

采用同一廠家生產(chǎn)的同批次鋼球進(jìn)行兩極點(diǎn)受力試驗(yàn).首先,將鋼球放入５０％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鹽酸水溶液中加熱,直至鋼球出現(xiàn)極點(diǎn)以便確認(rèn)鋼球極點(diǎn)位置,如圖１３所示.由于加熱過程引入了腐蝕應(yīng)力,因此酸洗前后任取兩粒鋼球,各測(cè)量３處應(yīng)力值,結(jié) 果 見 表 ７,可 見 兩 鋼 球 腐 蝕 應(yīng) 力 值 相 差２５MPa,可認(rèn)為腐蝕應(yīng)力影響條件一致.然后,對(duì)酸洗后鋼球隨機(jī)分為a~f共６組(每組３粒鋼球).a~c組對(duì)極點(diǎn)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(duì)垂直極點(diǎn)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(diǎn)方向加載,鋼球均沿極點(diǎn)方向碎裂,但沿垂直極點(diǎn)方向加載,鋼球雖沿加載處碎裂,但極點(diǎn)處亦有裂紋擴(kuò)展痕跡.鋼球壓碎試驗(yàn)結(jié)果見表８,可見沿垂直極點(diǎn)方向鋼球的壓碎值是沿極點(diǎn)方向鋼球壓碎值的１．５２倍,說明極點(diǎn)處抗壓強(qiáng)度低.

２．１０ 分析與結(jié)論

鋼球的材料及淬回火組織均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,但回火穩(wěn)定性和網(wǎng)狀碳化物均不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求.同批次未使用鋼球表面顯微組織未發(fā)現(xiàn)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(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生且可以排除鋼球潤(rùn)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(gè)別鋼球破碎后造成的;鋼球表面損傷后不僅使軸承潤(rùn)滑狀態(tài)改變還會(huì)使軸承所承受的接觸應(yīng)力增大,當(dāng)外加載荷超過鋼球的承載能力時(shí),更多數(shù)量的鋼球就會(huì)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(xiàn)燒傷現(xiàn)象.同時(shí),鋼球極點(diǎn)區(qū)是鋼球的薄弱區(qū),當(dāng)同等大小的載荷施加在極點(diǎn)處時(shí)更易導(dǎo)致鋼球斷裂.從鋼球的整個(gè)淬回火工藝過程來看,其回火時(shí)間偏短導(dǎo)致了回火穩(wěn)定性不合格且網(wǎng)狀碳化物超標(biāo)(破壞了材料的連續(xù)性),當(dāng)內(nèi)應(yīng)力疊加、偏大時(shí)就導(dǎo)致承載能力不足的鋼球開裂或破碎.

２．１１ 結(jié)論及建議

鋼球回火時(shí)間不足使得回火穩(wěn)定性不合格且存在超標(biāo)的網(wǎng)狀碳化物,導(dǎo)致其承載能力相對(duì)偏低而斷裂.建議適當(dāng)延長(zhǎng)回火時(shí)間,提高鋼球的承載能力,同時(shí)采取措施改善鋼球網(wǎng)狀碳化物的分布.

３ 結(jié)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(chǔ)存和保管及使用過程均影響鋼球質(zhì)量,進(jìn)而對(duì)鋼球壽命產(chǎn)生影響,最終影響滾動(dòng)軸承壽命.鋼球失效的影響因素很多且互相影響,通過 對(duì) 失 效 鋼 球 進(jìn) 行 失 效 分 析 可 以 了 解鋼球整個(gè)制 造 過 程 和 服 役 狀 態(tài),從 而 掌 握 鋼 球 失效機(jī)理,進(jìn) 而 提 出 改 進(jìn) 措 施,為 改 進(jìn) 鋼 球 制 造 工藝,提高成品鋼球質(zhì)量和軸承設(shè)計(jì)提供依據(jù),最終提高軸承壽命。