88107EYYN轴承外圈断裂分析及改进措施

　　摘　要：以88107EYYN轴承为例，介绍了断裂失效分析的方法与过程。分析了3种典型裂纹（锻造、车削、淬火）的特点和起因，提出了相应的改进措施。
　　关键词：滚动轴承；失效分析；断裂；改进措施
　　轴承的失效形式按其损伤机理可大致分为：变形失效、断裂失效、疲劳失效和腐蚀失效。其中断裂失效是Z严重的失效形式，将造成突发性事故和重大的经济损失。而断裂的起因主要是制造过程中产品的内部或表面形成细小的微裂纹，在外加载荷作用下微裂纹逐渐扩展而完全断裂。这些微裂纹按其产生原因可分为锻造裂纹、车削裂纹、淬火裂纹和磨削裂纹等。如何运用断裂失效分析的各种手段判别微裂纹产生的原因，并改进相应的加工工艺。对于提高产品质量具有重要意义。
　　1　断裂失效概况
　　某轴承厂在装配88107EEYN轴承期间。接连出现轴承外圈在装配力作用下断裂成好几块的现象，初步检查结果表明，断裂是由于外圈外表面靠近端面倒角处的轴向裂纹扩展而引起。进一步检查该批轴承外圈，结果发现这批外圈同时存在锻造、车削、淬火3种裂纹。
　　2　结构及加工工艺
　　2.1外圈结构
　　该外圈有两道密封槽，如图1所示。此结构特点决定其比普通外圈更容易引起应力集中。 　　2.2零件的选材与加工工艺
　　原材料采用GCr15热轧圆棒料。工艺流程为：下料一锻造一退火一车削一淬火一清洗一回火一磨削一装配。
　　2.3工艺调查
　　（1）锻造。由于冷却锻模的水管泄漏，压力机附近地面有积水。
　　（2）车削。少数操作工采取大进刀量切削，使部分套圈表面出现很深的车削刀痕。
　　（3）淬火。振底式氮保护淬火炉，由于长期未清除炉膛，滴入的丙酮与套圈携带的脏物在炉底板上形成较厚的粘状物，使部分套圈在淬火加热时被粘在炉内停留时间过长。
　　（4）装配。装配时须加力使套圈变形，才能将Z后一粒钢球装入。如图2所示，在外力F的作用下，套圈外表面A处和内表面处分别受到拉应力；而在外表面D处和内表面C处则分别受到压应力。 　　3　宏观分析
　　从该批待装配套圈中抽取20件，先进行去应力回火（加热到400℃，保温1h，取出空冷），然后进行热酸洗（放入50％HCI水溶液，加热到60℃，煮20min，取出后冷水刷洗）。酸洗后发现其中7件表面有裂纹，再加上装配断裂的2件，共9件有裂纹。根据裂纹外观形貌特征可将它们分为甲、乙、丙3类，丙类是装配断裂碎块拼合后的裂纹形貌。然后将甲、乙类套圈敲断与丙类碎块一起检查断口。检查结果如下。
　　3.1裂纹形貌特征
　　（1）甲类套圈：裂纹细长、弯曲、不规则地分布在套圈外表面，裂纹起始端在密封槽（应力Z集中的位置）。
　　（2）乙类套圈：裂纹短而直，沿套圈圆周方向平行分布，数量较少。
　　（3）丙类套圈：端面倒角处有短的轴向裂纹。
　　与套圈断口拼合处（轴向黑线）平行，且此处还有类似于甲类套圈的裂纹。
　　3.2断口分析
　　（1）甲类套圈：断口由粗结晶状断口区+部分剪切区组成，根据JB/T1255-2001标准评定为3级过热断口。
　　（2）乙类套圈：断口平直，由灰色细瓷结晶状脆性断口区组成，按标准评为2级正常断口。但在滚道上方可看到短的径向裂纹与套圈内表面粗车刀痕相连，这表明裂纹是在粗车刀痕根部开裂并沿径向纵深扩展的。
　　（3）丙类套圈：断口由灰色细瓷结晶状脆性断口区组成，按标准评为2级正常断口。但在滚道一侧有宽1mm，长5mm的黑色断口区，在黑色断口区与灰色断口区交界处有多条极细的放射纤维，这表明黑色断口区为裂纹源。
　　4　微观分析
　　首先用扫描电镜在甲、乙、丙套圈的裂纹起源区进行扫描，结果未发现有夹杂物存在。接着进行硬度测试和金相分析，在垂直于裂纹处截取试样，观察裂纹横截面形态，如图3所示。 　　4.1硬度测试
　　（1）甲类套圈：回火硬度为64HRC，按JB/T1255-2001标准评定，硬度值偏上限。
　　（2）乙类套圈：回火硬度为62HRC，正常。
　　（3）丙类套圈：回火硬度为63HRC，正常。
　　4.2金相分析
　　（1）甲类套圈：显微组织由细小结晶马氏体+隐晶马氏体+粗针状马氏体+残留碳化物+少量残余奥氏体组成。
　　（2）乙类套圈：显微组织由细小结晶马氏体+隐晶马氏体+细小针状马氏体+残留碳化物+少量残余奥氏体组成。
　　（3）丙类套圈：显微组织由细小结晶马氏体+隐晶马氏体+针状马氏体+残留碳化物+少量残余奥氏体组成。
　　4.3裂纹横截面形态
　　（1）甲类套圈：裂纹深0.25mm，平直无分枝，裂尖锐利。
　　（2）乙类套圈：裂纹深0.1mm，平直无分枝，裂尖锐利。
　　（3）丙类套圈：裂纹深1mm，平直无分枝，周围有贫碳区，裂尖圆钝。
　　5　结果讨论及改进措施
　　（1）甲类套圈：裂纹起裂于应力集中的密封槽底部，断口晶粒粗大，硬度偏上限；组织中马氏体组织粗大，残留碳化物颗粒细小，稀少；裂纹周围无贫碳区，裂尖锐利。根据这些特征可判定该类裂纹为淬火裂纹，主要是由于热处理工艺不当（加热温度高或保温时间过长）造成的。
　　淬火裂纹的形成原因是由于氮气保护炉长期未清除炉膛，炉底板上有黏粘物存在，使部分套圈被粘住，而未能按节拍振出高温加热区。导致淬火加热温度过高，加热时间过长，使奥氏体晶粒度变粗，碳化物溶解过多，基体组织含碳量增高，脆性增大，在淬火冷却过程中形成粗针状马氏体，同时产生很大的组织应力和热应力。当套圈应力集中处（密封槽）的应力超过原子间结合力时将产生微裂纹，随后微裂纹进一步扩展，直到动态应力强度因子K₁（v）小于动态扩展断裂韧度K_ID（v），扩展停止形成淬火裂纹。装配时在外力作用下，裂纹起裂扩展而产生缺陷断裂。改进措施是定期清理炉膛，防止炉底板上有黏粘物存在。
　　（2）乙类套圈：在断口上可看到裂纹与套圈内表面的粗车刀痕根部相连接，裂纹周围无贫碳区，裂尖锐利，组织中残留碳化物颗粒细小，稀少。根据这些特征可判定该类裂纹是刀花裂纹，主要是由于粗车刀痕较深导致淬火过程中应力集中超过了材料的硬度而形成的车削裂纹。
　　车削裂纹的形成原因是淬火冷却时在粗车刀痕处产生应力集中，使刀痕根部开裂产生裂纹并沿径向扩展。由于车刀痕沿套圈表面圆周方向分布，所以该类裂纹也沿圆周方向分布。该类裂纹的深度较浅，仅为0.1mm，由于磨削时套圈的弹性变形，致使一部分裂纹被磨去，而另一部分残留在套圈表面，沿四周方向断断续续分布。装配时套圈受力后产生的拉应力与圆周方向裂纹平行，这样裂纹并不扩展，但在以后的使用过程中将会加速疲劳剥落而缩短轴承寿命。改进措施是控制切削量，避免产生粗车刀痕。
　　（3）丙类套圈：断口存在部分黑色氧化区，裂纹周围有贫碳区，裂尖圆钝，组织中部分马氏体较粗大，是湿裂纹经热处理高温氧化后脱碳造成的，根据这些特征可判定该类裂纹为锻造裂纹。
　　锻造裂纹的形成原因是锻加工时操作不慎，将刚锻造成形的高温套圈掉入机床附近的地面积水中，在水的快速冷却下，套圈的浸水部位（端面倒角处）受水冷产生的巨大应力而开裂。在退火和淬火加热时，湿裂纹断口在高温下长时间被氧化，使断口颜色变黑，同时裂纹附近产生脱碳形成贫碳区。这种锻造裂纹，浅的在车削加工时能被车削掉，深的仅被车削去一部分，残留下来的轴向裂纹，装配时如正好处于受拉位置，其将成为裂纹源，裂纹扩展直到套圈完全断裂。改进措施是及时排除地面积水，防止套圈掉入积水而引起开裂。