轴承外圈沟道表面开裂原因

　　摘　要：采用化学成分分析、酸洗低倍检验、金相检验及硬度浏试等方法对轴承外圈沟道表面的开裂原因进行了分析。结果表明：轴承外圈沟道表面裂纹为磨削裂纹，主要是因为在磨削时实际进磨量大，砂轮修磨不良，加之抽承外圈回火不充分，造成抽承外圈沟道表面磨削烧伤并产生了磨削裂纹。
　　关键词：轴承外圈；磨削烧伤；磨削裂纹
　　某轴承外圈磨削加工后摔在地上即产生断裂，其材料为GCr15钢，规格为6004/01。该轴承外圈的加工工艺流程：管材→下料→车加工→热处理（840℃X50min淬油+160℃X3h回火）→磨削。其设计硬度要求为60-65HRC，淬回火马氏体级别为1-5级。笔者对断裂的轴承外圈进行了理化检验，找出了轴承外圈断裂的原因，并对热处理工艺、磨削加工工艺提出了相应的改进措施。
　　1　理化检验
　　1.1 化学成分分析
　　在磨削后的轴承外圈上取样进行化学成分分析，将测得结果与GB/T 18254-2002对GCr15钢化学成分要求进行比较可见，轴承外圈的化学成分符合标准规定，见表1。
　　1.2 酸洗低倍检验
　　将断裂的轴承外圈酸浸处理后，肉眼观察可见沟道表面显示严重的黑色烧伤斑痕及与磨削方向基本垂直的平行分布的横向裂纹，见图1；摔开断口呈现月牙形烧伤层，断口呈细瓷状，由沟道处启裂快速向里推进至完全断裂，见图2。
　　1.3 金相检验
　　在轴承外圈裂纹区域垂直于表面裂纹截取横向剖面试样，磨抛制成金相试样后用Axiovert 25CA光学显微镜观察裂纹形貌。有的裂纹呈垂直于沟道表面的竖直裂纹，深度约为0.35mm；有的裂纹呈“⊥”形，深度在0.34-0.50mm，裂纹两侧均无氧化脱碳现象，见图3。
　　轴承外圈沟道表层显微组织有明显的回火烧伤层（深黑色层），深度约0.27mm，显微组织为二次回火马氏体，裂纹已穿透回火烧伤层，向内部扩展，说明轴承外圈的内应力较大，回火不充分，见图4。
　　轴承外圈的基体显微组织为回火隐针马氏体+少量细小针状马氏体+极少量残余奥氏体+残留粒状碳化物，按JB/T 1255-2001评定回火马氏体级别为3级，见图5，符合设计要求。
　　1.4 硬度测试
　　开裂轴承外圈的基体硬度为62.5HRC，而沟道表面烧伤层的硬度为57.5HRC，可见基体硬度符合设计要求，而沟道表面硬度明显低于基体硬度，不符合设计要求。由轴承外圈沟道表面到基体的显微硬度梯度曲线见图6。
　　2　综合分析
　　开裂GCr15钢轴承外圈的化学成分符合GB/T 18254-2002的技术要求，说明轴承外圈材质合格。
　　由酸洗低倍检验结果可知，沟道表面存在严重的黑色烧伤斑痕及大量平行的裂纹，由烧伤斑痕形貌及裂纹形态可初步判断轴承外圈沟道表面裂纹为磨削裂纹。
　　由金相检验结果可知，开裂轴承外圈沟道表面明显存在一层厚度为0.27mm的回火烧伤层，且烧伤层的硬度明显低于基体的；裂纹呈“⊥”形，由两部分组成，竖段裂纹起源干沟道表面，且垂直于表面向内扩展穿透回火烧伤层；而横段裂纹起源于沟道次表层，平行于沟道表面横向扩展。磨削是砂轮的砂粒刃口对轴承外圈沟道进行摩擦切削，刃口前面的金属受到挤压和撕裂，刃口后面的金属与砂轮剧烈摩擦使晶粒受拉和滑移，引起金属的弹性和塑性变形。当磨削停止后，金属表面在弹性变形力的作用下力求恢复原位，因此出现了平行于磨削轨迹的拉伸应力，从而导致沟道表面出现人量垂直于磨削方向平行分布的磨削裂纹，即“⊥”形裂纹的竖段。磨削过程中，金属与砂轮之间剧烈摩擦，产生大量的磨削热。磨削热使沟道表面的温度骤然升高，并向内部传播，致使沟道表面被二次回火，即在表面产生回火烧伤层。同时二次回火使得表层金属硬度下降，比容骤减，体积收缩，于是在表面回火烧伤层与基体之间产生拉应力，从面导致轴承外圈于沟道次表面产生磨削剥离裂纹，即“⊥”形裂纹的横段。剥离裂纹的应力起源于表面回火烧伤层产生时对次表层的力学作用，故形成与轴承外圈沟道表面平行的、新的开裂面。磨削烧伤导致的这种由表及里、过渡急骤而比容与性能相差悬殊的组织层带，是“⊥”形裂纹形成的条件，这进一步证明了轴承外圈沟道表面的裂纹为磨削裂纹。现场调研轴承外圈的磨削加工工艺，发现其实际进磨量较大，切削深度超过0.10min，另砂轮修磨也不良且冷却不充分；加上轴承外圈回火不充分，内应力较大，从而导致表面回火烧伤层的产生及磨削裂纹的形成。
　　3　结论与建议
　　（1）轴承外圈沟道表面平行状裂纹属典型的磨削裂纹，导致其磨削开裂主要是由磨削量过大和磨削工艺条件恶劣等因素引起的；其次，轴承外圈回火不充分，亦增加了其磨削开裂的敏感性。
　　（2）建议改进轴承外圈的回火工艺，采用170℃X4h回火，可减小磨削拉应力，使金属体积更趋稳定；另磨削加工时需严格控制进磨量，充分冷却，及时修整砂轮，可有效防止磨削开裂。