某深溝球軸承外圈開裂原因分析

吳志平

（哈爾濱哈軸精密軸承制造有限公司，黑龍江 哈爾濱150036）

某深溝球軸承外圈開裂原因分析

吳志平

（哈爾濱哈軸精密軸承制造有限公司，黑龍江 哈爾濱150036）

在軸承套圈熱處理時(shí)，爐內(nèi)碳勢的高低，會(huì)造成套圈表面脫、增碳現(xiàn)象。通過對(duì)627ZZ失效軸承進(jìn)行檢驗(yàn)分析后發(fā)現(xiàn)，熱處理時(shí)碳勢過高，引起表面增碳，導(dǎo)致開裂。

斷裂；增碳；碳勢；熱處理

1 前言

為了改變金屬的各種機(jī)械、物理、化學(xué)性能及金屬的冷、熱加工性能，常對(duì)金屬進(jìn)行熱處理，即把金屬加熱到一定的溫度，在該溫度停留一段時(shí)間，然后在某種冷卻介質(zhì)中以一定的冷卻速度冷卻下來。不同的溫度狀況、不同冷卻速度、不同含碳量，金屬的金相組織是不同的。

軸承零件在一般空氣爐中加熱，會(huì)發(fā)生氧化和脫碳。加熱時(shí)的氧化不僅造成材料的損耗，而且影響零件的表面質(zhì)量。軸承零件表面發(fā)生氧化作用后導(dǎo)致零件表面碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少造成表面脫碳。脫碳使軸承的耐磨性、強(qiáng)度，尤其是疲勞強(qiáng)度顯著降低，縮短了軸承的使用壽命。

在軸承熱處理中應(yīng)用可控氣氛，可實(shí)現(xiàn)無氧化，有效地防止軸承零件在加熱過程中的氧化現(xiàn)象；避免或減少脫碳，使熱處理后金屬表面脫碳層很薄，從而減少了磨削余量；還能提高硬度和硬度均勻性；對(duì)軸承零件在熱處理中的變形和開裂傾向也有所改善。因此對(duì)可控氣氛碳勢的測量與控制非常重要。

碳勢是氣氛的熱力學(xué)特性，它表示氣氛的一種平衡能力，即在熱處理加熱溫度下，氣氛的氣相中提供的活性炭原子與鋼表面奧氏體中的含碳量相平衡的能力。軸承鋼屬過共析鋼，淬火加熱時(shí)進(jìn)行的是部分奧氏體化，即淬火加熱完成后組織狀態(tài)是奧氏體+碳化物。這樣，奧氏體中碳含量約為0.4～0.6之間(資料介紹0.55為最佳)，所以軸承零件碳勢控制值在0.6%～0.8%是比較合理的。碳勢過低或過高會(huì)在軸承零件表面產(chǎn)生脫增碳反應(yīng)。當(dāng)爐內(nèi)碳勢過高時(shí)，零件發(fā)生表面增碳，會(huì)引起軸承零件淬火后表面出現(xiàn)微裂紋，降低軸承耐沖擊能力。

2 627ZZ軸承斷裂分析

某客戶使用627ZZ軸承，發(fā)生了外圈斷裂現(xiàn)象，因此對(duì)返回的軸承進(jìn)行了詳細(xì)的失效分析。

2.1 宏觀分析

失效軸承627ZZ的斷裂位置宏觀形貌如圖1所示，軸承外圈發(fā)生斷裂，斷面基本垂直于表面，如圖1中箭頭所指。斷面起始于圖中滾道右側(cè)的外內(nèi)徑下表面，向外表面并向左側(cè)快速擴(kuò)展至斷裂。斷口沒有明顯的塑性變形，呈脆性的斷裂特征，如圖2所示。

圖1 斷裂軸承形貌（箭頭所示為斷裂位置）

圖2 外圈斷口裂紋源

2.2 金相組織分析及維氏硬度測試

在627ZZ軸承外圈斷口下方平行和垂直于斷面制備剖面金相試樣，通過對(duì)剖面金相試樣檢驗(yàn)分析，檢驗(yàn)結(jié)果為金相組織形態(tài)如圖3、圖4所示。外圈外內(nèi)徑表面有與基體分離的寬約2μm的薄皮，并且還看到較多的細(xì)微裂紋，長度約5μm，側(cè)棱的過渡弧面有穿晶和沿晶的小裂紋，向基體延伸的深度約為30μm。將試樣用4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕后，外圈兩側(cè)的外內(nèi)徑表面的分離薄皮呈白亮色，薄層下面的表面組織顏色偏暗，外圈外內(nèi)徑表面及未加工部位有增碳現(xiàn)象，如圖4所示。外圈心部淬火組織正常，淬火組織為3級(jí)，如圖3所示。在金相剖面試樣上分別在部位1和部位2（如圖5 所示）上測試顯微維氏硬度，硬度測試結(jié)果如表1所示。起裂源附近的表面硬度略高于基體硬度。

圖3 外圈心部淬火組織，4%硝酸酒精腐蝕，500×

圖4 外內(nèi)徑表面增碳組織，4%硝酸酒精腐，500×

圖5 外內(nèi)徑橫縱截面鑲嵌圖

2.3 斷口SEM分析

清洗斷裂口后，在SEM 下觀察斷口微觀形態(tài)，如圖2 所示，裂紋擴(kuò)展方向見圖2中的箭頭指向。表面起源區(qū)存在長約600μm、深約50μm的規(guī)則的條狀缺陷，缺陷邊界清晰，與斷口的交界處呈臺(tái)階狀。缺陷附近斷口以沿晶開裂為主，遠(yuǎn)離缺陷的擴(kuò)展區(qū)呈沿晶+韌窩的混合斷裂形態(tài)。缺陷表面呈顆粒狀的高溫氧化形態(tài)，EDX 半定量成分分析表面成分，含有Fe、O、Si、Mn等元素。外圈兩側(cè)的外內(nèi)徑表面呈現(xiàn)顆粒狀的高溫氧化形態(tài)，這些形態(tài)與缺陷表面類似。附近的側(cè)棱上存在與主斷口垂直的環(huán)向微裂紋，如圖6所示。通過對(duì)斷口及表面的分析表明，外圈從外內(nèi)徑表面的缺陷處起裂，在外力作用下擴(kuò)展至斷裂。

3 結(jié)論

通過對(duì)627ZZ失效軸承的檢驗(yàn)分析，明顯得出，該軸承外圈淬火組織及硬度符合JB1255標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（1）該軸承外圈外內(nèi)徑及倒角等非加工部位有增碳現(xiàn)象，系熱處理過程中碳勢過高所致。

表1 硬度測試結(jié)果

圖6 外內(nèi)徑表面增碳引起的微裂紋

（2）該軸承外圈斷口起裂于外圈外內(nèi)徑表面的條狀規(guī)則缺陷，起裂源區(qū)附近內(nèi)表面同時(shí)存在脫離基體的薄皮，以及一些微裂紋，部分裂紋延伸至基體約30 μm。這些微裂紋呈環(huán)向擴(kuò)展，擴(kuò)展方向與主斷口垂直。由于627ZZ軸承外圈熱處理過程中碳勢過高，引起軸承外圈外內(nèi)徑表面增碳，引起微裂紋，從而發(fā)生外圈斷裂現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

軸承套圈在熱處理過程中，熱處理爐內(nèi)的保護(hù)氣氛是多種氣體的混合物，有氧化性氣體、中性氣體、還原性氣體和滲碳性氣體等。在高溫下加熱時(shí)其化學(xué)反應(yīng)很復(fù)雜，不論是脫碳反應(yīng)，還是增碳反應(yīng)，除自由氧原子的參與外，都能在一定條件下達(dá)到平衡，甚至進(jìn)行可逆反應(yīng)。爐內(nèi)碳勢的高低，對(duì)滲碳層厚度、含碳量以及碳濃度梯度有很大的影響。一般來說，爐內(nèi)碳勢越高，碳濃度梯度越陡，形成粗大和網(wǎng)狀碳化物的傾向越大。為了避免碳勢過高，引起軸承套圈表面增碳現(xiàn)象，熱處理時(shí)不能急劇加熱，需采用適當(dāng)?shù)募訜釡囟?，使鋼的晶粒不長大為好。正確選擇和設(shè)計(jì)加熱介質(zhì)、加熱速度、加熱溫度和保溫時(shí)間等加熱參數(shù)；嚴(yán)格控制爐溫均勻性，不能波動(dòng)過大。通過控制爐內(nèi)碳勢來嚴(yán)格控制軸承套圈的碳濃度及濃度梯度,從而保證套圈的熱處理質(zhì)量和使用壽命。

（編輯：王立新）

圖21 軸承安裝部位簡圖

建議從軸承安裝配合結(jié)構(gòu)及電機(jī)裝配過程進(jìn)一步查找故障軸承產(chǎn)生附加軸向力的原因。

7 結(jié)論與建議

綜合上述分析，形成如下分析結(jié)論與建議。

（1）故障軸承失效形式為高溫磨損失效；

（2）軸承失效的原因是在工作過程中承受了較大的附加軸向力；

（3）建議從軸承安裝配合結(jié)構(gòu)及電機(jī)裝配過程進(jìn)一步查找故障軸承產(chǎn)生附加軸向力的原因。

（編輯：王立新）

Analysis of reason for cracks on deep groove ball bearing outer ring

Wu Zhiping

(Harbin Hazhou Precision Bearing Manufacturing Co.,Ltd.,Harbin 150036,China)

In the bearing ring heat treatment furnace, high or low carbon potential will cause decarbonization and recarbonization of the ring surface. After analyzing the rupture reason of failure bearing of 627 ZZ, it is concluded that the high carbon potential in the heat treatment furnace leads to surface recarburizing and cracking.

rupture; recarburization; carbon potential; heat treatment

TH 133.33+1

B

1672-4852（2015）02-0022-03

2015-05-28.

吳志平（1978-），女，工程師 .