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軸承鋼球的失效分析

2018-06-04

梁華，程彬，馬爽
（洛陽軸研科技股份有限公司

　　鋼球是球軸承中承載載荷的滾動(dòng)體，是球軸承中Z重要的零件之一，其加工過程相當(dāng)復(fù)雜，從冷鐓（或熱軋、鍛）球坯到Z后的清洗包裝，設(shè)及到諸多的加工工序，而每道加工工序都會(huì)對(duì)球的內(nèi)在和表面質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。鋼球的制造質(zhì)量會(huì)直接影響到軸承的使用壽命，因而是極其重要的。鋼球因材料冶金缺陷導(dǎo)致軸承失效的案例屢見不鮮，分析難度也不大，但對(duì)于小尺寸鋼球開裂，尤其是內(nèi)在冶金缺陷導(dǎo)致的開裂，由于難于通過熱酸洗定位材料軋制方向，故分析難度就會(huì)增大。本文采用金相、硬度檢測、宏觀及微觀觀察分析的方法，廣開思路，對(duì)鋼球產(chǎn)生開裂的原因進(jìn)行了分析。

　　某公司送檢成品鋼球5粒（斷裂成半粒的鋼球），材料為GCr15軸承鋼，加工工藝過程如下：φ6.0mm熱軋盤圓（連鑄）→球化退火后冷拔成φ4.5mm→去應(yīng)力退火后冷拔成φ3.2mm→去應(yīng)力退火后冷拔成φ2.5mm→冷鐓成鋼球→冷、熱加工成φ2.36mm成品鋼球。該批次鋼球共300萬粒，用戶在使用過程中發(fā)現(xiàn)約60粒開裂成兩半，要求對(duì)鋼球發(fā)生開裂的原因進(jìn)行分析。

　　1.觀察與分析
　　（1）宏觀形貌
　　送檢的5個(gè)半粒鋼球斷口的中心部位材料均呈現(xiàn)為線狀分布，邊緣光亮且凹凸不平，具有明顯的擠壓、磨損痕跡，其形貌見圖1。

圖1 送檢鋼球宏觀形貌

　?。?）斷口的微觀形貌觀察與分析
　　為了更詳細(xì)地觀察缺陷形貌，任取半粒鋼球放置在JSM-6380LV掃描電子顯微鏡下變倍觀察斷口形貌，結(jié)果表明：鋼球中心部位約五分之三斷口呈現(xiàn)為深淺不一平行的條帶狀，形貌自然、疏松，其余部位主要呈現(xiàn)為擠壓、磨損狀態(tài)，局部為瓷狀斷裂面，斷口的微觀形貌見圖2～圖5。采用EDS7582能譜儀對(duì)條帶處的多處部位進(jìn)行微區(qū)成分分析，發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)存在異常元素，主要為氧、鈣、鎂及微量的鈉。

圖2 鋼球斷口低倍形貌

圖3 鋼球斷口中心部位放大

圖4 鋼球斷口局部高倍形貌

圖5 鋼球斷口局部放大形貌

　?。?）金相檢查
　　取一粒鋼球從心部條帶處橫向解剖，經(jīng)磨制后觀察發(fā)現(xiàn)：①條帶剖面深度約0.25mm，條帶周圍還存在一些小孔隙（見圖6和圖7）。

圖6 鋼球心部條帶的剖面形貌

圖7 圖6局部放大形貌

　?、趯撉蜓貤l帶磨制，并采用4%硝酸酒精溶液腐蝕后發(fā)現(xiàn)，條帶主要位于帶狀碳化物上并與其方向一致（見圖8）。

圖8 鋼球心部條帶與帶狀碳化物形貌

　?、垆撉虻膸钐蓟锇凑誈B/T18254—2002標(biāo)準(zhǔn)評(píng)為2.5級(jí)（見圖9和圖10），不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖9 圖8局部放大形貌

圖10 圖9局部高倍形貌

　?、茕撉虻拇慊鼗鸾M織過熱且極不均勻，按照J(rèn)B/T1255—2014標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定為大于4級(jí)，網(wǎng)狀碳化物為2級(jí)，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求（見圖11）。

圖11 鋼球的淬回火組織

　　2.結(jié)果分析
　　根據(jù)宏觀、微觀觀察分析及金相檢驗(yàn)的結(jié)果可以確定：

　?。?）鋼球是在安裝到軸承內(nèi)部后使用過程中開裂的，開裂方向均為材料軋制方向。

　?。?）鋼球心部存在有明顯的疏松條帶，帶狀碳化物超標(biāo)且表面含有氧、鈣、鎂等異常元素，另外，條帶均有深度，約0.25mm，由此確定鋼球心部存在縮孔殘余，屬于冶金缺陷，這也是導(dǎo)致鋼球在使用過程中發(fā)生開裂的主要原因。

　?。?）鋼球的淬回火組織過熱使其脆性增大，降低了抗壓強(qiáng)度，使鋼球更容易發(fā)生開裂。

　　3.結(jié)語
　　送檢鋼球開裂是在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中開裂的，是材料缺陷和熱處理缺陷兩者共同作用的結(jié)果，屬于缺陷開裂；鋼球心部存在縮孔殘余和帶狀碳化物超標(biāo)為主因，熱處理淬、回火組織過熱使鋼球脆性增大也是導(dǎo)致鋼球開裂的原因之一。

　　當(dāng)鋼球尺寸較小或斷口擠壓、磨損較嚴(yán)重時(shí)，無法確定材料軋制方向，也難以進(jìn)行常規(guī)的斷口分析，此時(shí)可以通過金相法，通過觀察缺陷形貌與金相組織的關(guān)系找到開裂的主要原因。