轴承碎裂原因分析

　　摘　要：采用理化检验的方法，对材料为GCr15的碎裂轴承进行了分析；结果表明，磨加工过程中产生的严重烧伤是造成轴承碎裂的主要原因。
　　关键词：滚动轴承；碎裂；烧伤；裂纹
　　某汽车用户送检的无内圈滚珠轴承一件，材料牌号为GCr15，硬度要求HRC60-65，与转向器螺母配合使用。该轴承在总装配线上零公里，方向盘打不动，拆开检查发现轴承已碎裂。相关尺寸没有问题。现要求我公司配合分析其断裂原因。
　　1　理化检验
　　1.1 化学成分分析：
　　在碎裂轴承上取样，根据GB/T 18254-2002^[1]标准进行化学成分检验，检验结果如表1。可知该零件的成分符合GCr15标准。 　　1.2 断口分析
　　图1为滚珠轴承的断裂实物，从图中可以看出，轴承已碎裂几小段。从其中选取具有代表性的断口，清洗干净后在扫描电镜下观察，图2为其断口的低倍形貌，可以看到轴承表层附近一圈呈弧线的深色区域（图2中箭头所指），此深色区域与图8中深色区域对应。断面光滑，断裂起源于图2箭头所指处。图3为源区的微观形貌，图4为图2中弧线所指的深色区域的微观形貌。图5为扩展区的微观形貌。从图3~5中可以看出，断裂呈脆性断裂特征，断口上含有大量的碳化物颗粒。 　　1.3　酸洗检验
　　将碎裂轴承进行冷酸洗，发现滚道面上呈现着暗黑色，且其包围着一圈浅灰白色，并拌有细小裂纹存在。
　　1.4 金相检验
　　1.4.1 非金属夹杂物及碳化物不均匀性分析
　　在轴承缺陷处取样，根据GB/T 18254-2002^[1]标准对其进行非金属夹杂物和碳化物不均匀性检验，检验结果如表2，可见各项指标也合格。 　　1.4.2 显微组织分析
　　图6分别为失效件与未装车件滚珠轴承横截面金相组织的宏观照对比图，可见失效件内侧面存在一规则的半月形的深色区域，Z表层为白亮层。图7为轴承的心部组织，为隐晶马氏体+部分残留碳化物颗粒，级别约3级^[2]。图8为失效轴承内侧面表层，图9为其500X的组织，可见组织为细点状屈氏体，表层组织与心部存在明显差异，此表层与图2所示断口上的弧线所指区域对应。 　　1.4.3 硬度检验
　　测得此表层黑色区域的硬度为553，573，537HV（约合52-53HRC），Z表层白亮区硬度为800HV（约合63HRC），除此表层区域外，其他区域的硬度为756，764，770HV（约合61-62HRC）。
　　2　分析与讨论
　　此滚珠轴承属于高铬高碳轴承钢，硬度高，其断口也显示出高硬度材料断裂后的典型特征。在其轴承内侧表面存在一层与基体组织不同的区域（白亮层0.08mm，黑色区域0.50mm），白亮区硬度较高，黑色区域则硬度偏低。轴承零件在磨削时，磨削面受到砂轮的摩擦以及磨粒的切削，产生一定的摩擦力的切削力，这两种合力被称为磨削力。磨削力使金属表面产生塑性变形，同时在磨削过程中由于磨削作用，零件表面产生大量的磨削热，使磨削区域的局部瞬时温度高达1000℃以上。如此大量的磨削热如不能及时被冷却液冷却，将会使轴承零件磨削面表层的组织发生变化。当磨削热的温度高于相变点Ac₁时（GCr15钢的Ac₁745℃），则轴承零件的表层组织由马氏体转变为奥氏体，然后由于冷却液的作用，被二次淬火，形成淬火马氏体和残余奥氏体。次表层中的马氏体和残余奥氏体夜随之发生分解，转变为细点状屈氏体组织。在随后的冷却过程中，由于热应力和组织应力的作用，容易在轴承零件的表面形成磨削裂纹。^[3]3　结论与建议
　　轴承表层经过了二次淬火，加工过程中磨削烧伤。由于该零件是一次性脆性断裂，且表面没有发现其工作或损坏过程中因滚道剧烈摩擦而导致的烧伤迹象，因此上述异常组织应该不是在装配后产生的。建议其严格控制磨加工的质量，防止轴承烧伤。
　　参考文献：
　　[1]沈建，雷建中，栾燕，等.高碳铬轴承钢GB/T 18254-2002[M].北京:国家质量监督检验检疫总局，2002.
　　[2]刘耀中，张增歧，雷建中，等.高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理技术条件JB/T 1255-2001[M].北京:机械工业联合会，2001.
　　[3]雷建中，杨晓蔚.滚动轴承零件废品分析及图谱[C].洛阳轴承研究所，2001.