高溫軸承鋼滾珠早期失效原因分析

劉永寶，安浩俊，孔煥平，趙立新

(1.中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150026；2.中航工業(yè)北京航空材料研究院，北京 100095)

0 引言

滾珠是軸承零件中的關(guān)鍵部件，軸承正常轉(zhuǎn)動時，主要是滾動摩擦，所以對軸承表面完整性有很高的要求，尤其是航空軸承主要用在轉(zhuǎn)速快、溫度高等惡劣條件下，對軸承中滾珠的壽命提出了更高的要求，滾珠一旦出現(xiàn)損傷，對軸承的旋轉(zhuǎn)精度產(chǎn)生嚴重影響。

某軸承在運行159 min 時出現(xiàn)異常，拆套后檢查發(fā)現(xiàn)1 粒滾珠表面存在裂紋，內(nèi)圈、外圈等處未見明顯異常。滾珠材質(zhì)為W9Cr4V2Mo，原材料冶煉及制造過程為:鍛造→拉拔→熱壓成型(930℃，0.5 h)→光球→軟磨→熱處理(1 190 ℃真空熱處理)→粗磨→細磨→精研。常見的滾珠失效主要有剝落、磨損、碎裂等，一般滾珠失效都是軸承的故障后引起。本研究通過外觀觀察、電鏡觀察、理化分析等工作，得出滾珠失效原因，為類似失效原因分析提供借鑒。

本次失效軸承運行時間較短，且較早的發(fā)現(xiàn)了滾珠表面缺陷，如果發(fā)現(xiàn)不及時，軸承再運行一段時間，該滾珠缺陷位置會形成大面積剝落，缺陷會跟著剝落一起脫落，造成剝落源丟失，可能導致對故障的根本原因造成誤判，所以針對類似剝落現(xiàn)象要充分全方面考慮其剝落的根本原因。

1 分析過程

1.1 外觀檢查

滾珠表面可見一處長條狀裂紋，中間寬、兩頭尖細，長度約為4.6 mm，最寬處約0.6 mm，裂紋表面呈淺灰色，其宏觀形貌及局部放大見圖1。

1.2 微觀觀察

滾珠裂紋呈長條狀(圖2)。對靠近裂紋端部的Ⅰ區(qū)進行觀察。根據(jù)形貌特征，將Ⅰ區(qū)分為A、B、C 區(qū)。A 區(qū)表面光滑沒有斷口形貌，局部光滑表面有小坑，個別位置還存在擠壓變形留下的條紋;B 區(qū)有明顯斷裂特征，表面有疲勞擴展產(chǎn)生的條帶，A、B 區(qū)之間存在明顯的分界線;C 區(qū)斷裂特征明顯，斷口主要為韌窩(圖3)。

圖1 滾珠缺陷形貌Fig.1 morphology of the ball bearing defect

圖2 缺陷低倍形貌Fig.2 Low-power appearance of the defect

對裂紋Ⅱ區(qū)進行觀察，斷口中心有明顯的分界(圖4a)，對標記位置放大觀察，發(fā)現(xiàn)其與ⅠA區(qū)表面狀態(tài)相似均較光滑;其余位置斷裂特征明顯，存在疲勞條帶(圖4)。

1.3 裂紋表面成分分析

采用能譜儀對故障滾珠裂紋、完好球面進行成分分析，結(jié)果見表1。故障滾珠裂紋區(qū)含有O，含量較低，完好球面未檢測到O 的存在。

1.4 金相組織觀察

經(jīng)金相顯微鏡觀察，故障滾珠裂紋邊緣組織與心部組織無差異，組織均為回火馬氏體+碳化物(圖5)，淬回火組織符合JB/T 2850—2007 標準要求。

表1 能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 1 EDS analysis results (mass fraction/%)

1.5 裂紋位置判定

該軸承滾珠采用熱壓成形，熱壓后會形成兩極和一個環(huán)帶，成品滾珠經(jīng)50%鹽酸水溶液，加熱到80 ℃，洗30 min 后，可顯現(xiàn)出兩極，缺陷位于一個極的邊緣，具體位置見圖6。

1.6 硬度檢測

滾珠的硬度檢測結(jié)果見表2，硬度均勻，符合技術(shù)要求。

2 分析與討論

另取一粒相同批次滾珠模擬滾珠熱壓成型溫度對滾珠進行加熱處理:930 ℃保溫0.5 h，空冷。處理后的滾珠表面生成一層氧化皮，顏色灰暗，無金屬光澤。經(jīng)放大觀察，表面出現(xiàn)氧化形貌(圖7)。與故障滾珠相比，試驗滾珠熱處理后的表面檢測到大量O 元素，可達40%以上(表3)。

圖3 Ⅰ區(qū)微觀形貌Fig.3 Micro morphology of the zone Ⅰ

圖4 Ⅱ區(qū)微觀形貌Fig.4 Micro morphology of the zone Ⅱ

表2 硬度檢測結(jié)果Table 2 Results of hardness tests

表3 能譜檢測結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 3 EDS analysis results (mass fraction/%)

對故障滾珠進行微觀觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋表面存在光滑平面形貌及較多小孔;并可見疲勞條帶形貌，由疲勞條帶的位置及特征可判斷疲勞裂紋起始于光滑平面區(qū)。下面對缺陷性質(zhì)及產(chǎn)生原因進行分析。

圖5 滾珠淬回火組織形貌Fig.5 Microstructure of the steel ball

圖6 缺陷存在位置Fig.6 Position of the defect

圖7 成品滾珠熱處理后形貌Fig.7 Appearance of ball after heat treatment

熱壓成型過程中產(chǎn)生的缺陷主要有:折疊、毛邊裂紋。試驗模擬滾珠熱壓成型溫度對滾珠進行加熱處理，處理后的滾珠表面生成一層氧化皮，其特征和滾珠表面的裂紋有很大不同:1)氧化皮顏色灰暗，無金屬光澤，與呈淺灰色的裂紋形貌有很大不同;2)氧化皮O 含量遠高于裂紋表面的O 含量。由此排除滾珠表面裂紋為熱壓成型過程中折疊缺陷的可能性。另外，如果分模面的毛邊未切除干凈，則容易導致在分模面(赤道)產(chǎn)生裂紋。而檢查結(jié)果顯示裂紋位于極點附近，由此排除滾珠表面裂紋為熱壓成型過程中毛邊裂紋的可能性［1-2］。由以上分析可知，該缺陷不是熱壓過程中產(chǎn)生的，缺陷表面有明顯的光滑平面及小坑形貌，根據(jù)其加工過程和存在的特點，可推測缺陷來源于材料原有的鑄造孔洞缺陷。孔洞類缺陷是由于鑄件在冷卻凝固時所產(chǎn)生的液態(tài)收縮和凝固收縮遠遠大于固態(tài)收縮，并且在鑄件最后凝固的位置得不到金屬液的補充造成的［3］。孔洞類缺陷的存在使得構(gòu)件有效承載面積減小，并產(chǎn)生缺口效應，造成局部應力集中，成為疲勞裂紋萌生源，孔洞類缺陷是嚴重影響材料力學性能和疲勞性能的主要因素之一［4-5］。

電渣熔煉起弧階段(電渣錠尾部)，電流電壓波動較大，是一個電流電壓由不穩(wěn)定逐漸過渡到較穩(wěn)定的階段，在整個起弧過程中電流電壓不穩(wěn)定，尾部易造成偏析或發(fā)生夾渣現(xiàn)象。電渣熔煉熱封頂階段(電渣錠頭部)，是一個電流逐漸減小，電流電壓由穩(wěn)定向不穩(wěn)定過渡的熔煉過程，所以頭部質(zhì)量也不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)成分偏析或縮孔現(xiàn)象，這是電渣熔煉過程的普遍現(xiàn)象。電渣錠在開坯中，頭尾切除不凈，從而會造成頭部局部存在偏析或縮孔［6-7］。

由以上分析認為，裂紋表面小孔形貌為鑄造孔洞缺陷，裂紋的產(chǎn)生與鑄造孔洞缺陷有關(guān)。光滑表面的變形條紋是孔洞缺陷在鍛造、拉拔等過程中發(fā)生的塑性變形痕跡。

4 結(jié)論

1)故障滾珠失效性質(zhì)為疲勞開裂。

2)鑄錠中的孔洞在后續(xù)加工過程中被拉長、壓扁而保存下來，以微裂紋形式存在于鋼材內(nèi)部，由于其存在亞表面、接觸應力較大區(qū)域，從而成為裂紋源，導致疲勞開裂。

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