摘  要：通過金相分析及斷口觀察，對GCr15鋼軸承套圈的磨削開裂進行了系統(tǒng)分析。結(jié)果表明，淬火裂紋是套圈失效的根本原因,而原材料中Cr的帶狀偏析、套圈表面的應力集中、淬火加熱時的氧化脫碳以及不當?shù)?b style="color: black; background-color: #a0ffff">磨削工序則共同加劇了淬火裂紋的萌生和擴展。

　　關(guān)鍵詞:GCr15鋼;軸承套圈;失效分析

　　一批GCr15鋼制軸承內(nèi)、外套圈在淬火后精磨時出現(xiàn)了軸向或環(huán)狀裂紋,有的已裂穿甚至碎成數(shù)片。該批套圈的生產(chǎn)工藝流程為:棒材溫剪下料→球化退火→鍛造成型→機械加工→淬火、回火→精磨。鍛造采用感應加熱,溫度為1075～1120℃;淬火加熱在箱式保護氣氛爐中進行,工藝為840℃×45min,淬火介質(zhì)采用120℃好富頓淬火油;油淬后以85℃熱水清洗,停留3～6h后再用室溫水噴淋1h,然后進行170℃×3h的回火處理。在隨后精磨端面或外圓時,部分套圈出現(xiàn)了開裂。作者就此進行了失效原因分析。

　　1 研究內(nèi)容及方法

　　1.1 宏觀斷口形貌

　　圖1為該批軸承內(nèi)、外套圈的軸向截面示意圖。通過觀察發(fā)現(xiàn),失效斷口大致平行于套圈軸向,斷面平齊,屬于脆性斷裂;根據(jù)撕裂棱特征判斷裂紋走向,發(fā)現(xiàn)許多斷口上存在多個裂紋源,且其位置均在套圈表面易發(fā)生應力集中的機加工刀痕或棱角處(見圖1的A、B所示)。

　　1.2 探傷檢驗

　　對失效的軸承外圈進行著色探傷,發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁存在大量的環(huán)形裂紋,且其分布與尖銳的機加工刀痕相吻合,見圖2。

　　1.3 化學成分分析

　　對套圈的化學成分進行了檢驗,結(jié)果示于表1,可見,其化學成分既符合YB9—1968《鉻軸承鋼技術(shù)條件》的要求,也滿足原材料的訂貨要求。

　　1.4 夾雜及碳化物檢測

　　從斷口附近取樣后,沿套圈的內(nèi)側(cè)、外測以及垂直軸向的平面磨樣,按標準YB921968《鉻軸承鋼技術(shù)條件》進行非金屬夾雜及碳化物級別檢測,結(jié)果見表2,可見,套圈中的非金屬夾雜及碳化物級別均符合標準的要求。

　　1.5 斷口的微觀形貌

　　以丙酮為載體,將斷口試樣用超聲波清洗后進行掃描電鏡觀察。結(jié)果發(fā)現(xiàn)斷口上除存在多個裂紋源外,還存在較多的非金屬夾雜物(見圖3a)和碳化物聚集現(xiàn)象(見圖3b)。由此可見,雖然前面的試驗顯示夾雜物和碳化物符合標準的要求,但它們在套圈中仍存在著較嚴重的局部超標現(xiàn)象。同時,圖3a顯示斷面上組織不夠均勻,其中,較亮區(qū)域的組織致密、晶粒細小,而較暗區(qū)域則組織疏松、晶粒較大。

　　1.6 金相組織觀察

　　(1)心部及表層組織 失效套圈的心部及表層金相組織見圖4。由圖4a可見,軸承套圈的心部為正常組織:回火隱針馬氏體+碳化物+殘留奧氏體。圖4b顯示了套圈內(nèi)側(cè)未磨表層出現(xiàn)的貧碳現(xiàn)象,其組織呈現(xiàn)出明顯的低、中碳馬氏體形態(tài)。由于套圈的淬火加熱是在保護氣氛中進行,所以表面脫碳層的出現(xiàn)說明淬火時實際加熱溫度偏高或加熱時間過長。

　　(2)表面裂紋及次表層裂紋 在對失效套圈進行金相分析時,發(fā)現(xiàn)了許多由表面向內(nèi)延伸的表面裂紋,裂紋兩側(cè)無氧化脫碳現(xiàn)象。此外,還發(fā)現(xiàn)了一些垂直于套圈表面且裂紋線曲折、分叉,而裂紋體尚未擴展到表面的次表層裂紋,見圖5。

　　(3)裂紋形貌 為了更清楚地顯示裂紋形貌,對拋光后的試樣用光鏡和掃描電鏡進行了觀察,結(jié)果見圖6。圖6a是一條從表面向內(nèi)延伸的裂紋。圖6b則是一條內(nèi)部裂紋的末端。雖然兩條裂紋的位置不同,但均呈現(xiàn)出曲折、間斷的相似形貌,而且裂紋體的有些部位出現(xiàn)了三角分叉現(xiàn)象,說明淬火時較大的內(nèi)應力(包括組織應力和熱應力)使得材料內(nèi)部多處發(fā)生了開裂。