郗雨林,柴東朗,王秀 ,周敬恩
(西安交通大學材料學院,陝西西安 710049)
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分析。結果表明,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的磨削工序則共同加劇了淬火裂紋的萌生和擴充套件。
關鍵詞:gcr15鋼;軸承套圈;失效分析
一批gcr15鋼製軸承內、外套圈在淬火後精磨時出現了軸向或環狀裂紋,有的已裂穿甚至碎成數片。該批套圈的生產工藝流程為:棒材溫剪下料→球化退火→鍛造成型→機械加工→淬火、回火→精磨。
鍛造採用感應加熱,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,淬火介質採用120℃好富頓淬火油;油淬後以85℃熱水清洗,停留3～6h後再用室溫水噴淋1h,然後進行170℃×3h的回火處理。在隨後精磨端麵或外圓時,部分套圈出現了開裂。作者就此進行了失效原因分析。
1 研究內容及方法
1.1 巨集觀斷口形貌
圖1為該批軸承內、外套圈的軸向截面示意圖。通過觀察發現,失效斷口大致平行於套圈軸向,斷面平齊,屬於脆性斷裂;根據撕裂稜特徵判斷裂紋走向,發現許多斷口上存在多個裂紋源,且其位置均在套圈表面易發生應力集中的機加工刀痕或稜角處(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,發現內壁存在大量的環形裂紋,且其分布與尖銳的機加工刀痕相吻合,見圖2。
圖1 套圈軸向截面及裂紋源位置示意圖
圖2 失效的軸承外圈內壁的環形裂紋
1.3 化學成分分析
對套圈的化學成分進行了檢驗,結果示於表1,可見,其化學成分既符合yb9—1968《鉻軸承鋼技術條件》的要求,也滿足原材料的訂貨要求。
1.4 夾雜及碳化物檢測
從斷口附近取樣後,沿套圈的內側、外測以及垂直軸向的平面磨樣,按標準yb921968《鉻軸承鋼技術條件》進行非金屬夾雜及碳化物級別檢測,結果見表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後進行掃瞄電鏡觀察。結果發現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區域性超標現象。
同時,圖3a顯示斷面上組織不夠均勻,其中,較亮區域的組織緻密、晶粒細小,而較暗區域則組織疏鬆、晶粒較大。
圖3 失效套圈斷口的sem掃瞄**
(a)非金屬夾雜物 (b)碳化物聚集現象
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顯示了套圈內側未磨表層出現的貧碳現象,其組織呈現出明顯的低、中碳馬氏體形態。由於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,發現了許多由表面向內延伸的表面裂紋,裂紋兩側無氧化脫碳現象。此外,還發現了一些垂直於套圈表面且裂紋線曲折、分叉,而裂紋體尚未擴充套件到表面的次表層裂紋,見圖5。
圖4 失效套圈的心部組織(a)及表層脫碳組織(b)
圖5 失效套圈次表層的裂紋形貌
(3)裂紋形貌為了更清楚地顯示裂紋形貌,對拋光後的試樣用光鏡和掃瞄電鏡進行了觀察,結果見圖6。圖6a是一條從表面向內延伸的裂紋。圖6b則是一條內部裂紋的末端。
雖然兩條裂紋的位置不同,但均呈現出曲折、間斷的相似形貌,而且裂紋體的有些部位出現了三角分叉現象,說明淬火時較大的內應力(包括組織應力和熱應力)使得材料內部多處發生了開裂。
圖6 失效套圈裂紋的內部形貌
(a)表面裂紋的裡端 (b)內部裂紋的末端
(4)帶狀組織金相檢測時發現套圈中存在較嚴重的帶狀組織,其形貌見圖7。帶狀組織的出現是由原材料中存在的成分偏析及淬火前的熱加工造成的碳化物富集帶的遺傳所致[1]。有的區域基體及碳化物中cr含量較高,且淬火加熱時,含cr碳化物的溶解較難,能有效地阻礙奧氏體晶粒的長大,淬火後形成隱針馬氏體。
該區域不易浸蝕,因而呈現出較亮的顏色。相反,若淬火前某區域基體及碳化物中cr含量較低,淬火加熱時碳化物易溶解,對奧氏體長大的阻礙作用較小,淬火後馬氏體針片較大。該區域就因易浸蝕而呈暗色[2]。
帶狀組織的存在增加了gcr15鋼的過熱傾向,使零件淬火加熱時易形成粗大的過熱組織。
圖7 失效套圈中的帶狀組織
2 結果分析
2.1 磨削裂紋的排除
磨削裂紋是套圈在淬火後精磨時,由於磨削表層的區域性內應力(由淬火應力和磨削力共同決定)超過了材料的斷裂極限而產生的區域性裂紋[3]。磨削裂紋一般多呈龜裂狀,有時也呈細密的且與磨削方向垂直的直線狀分布。雖然形態會有所不同,但磨削裂紋一般均存在於磨削表面較淺的範圍內。
因為本試驗所觀察到的表面裂紋大多起源於軸承套圈的非磨削面,且裂紋較深,有的甚至裂穿,因此不屬於磨削裂紋。
2.2 表面裂紋產生的原因
斷口的高、低倍形貌分析及金相觀察說明,套圈表面的裂紋多起源於刀痕、稜角等應力集中處,且裂紋兩側無氧化脫碳現象,說明這些表面裂紋產生於淬火冷卻時或冷卻後。本批軸承套圈均為gcr15高碳合金鋼製造的壁厚為3～8mm的薄壁零件,熱油淬火時極易淬透。因馬氏體與奧氏體比容的差異以及奧氏體、馬氏體與非金屬夾雜物和碳化物熱膨脹係數的巨大差異,套圈淬火時會產生很大的組織應力和熱應力。
由於心部的馬氏體相變落後於表面,且馬氏體比容大於奧氏體,因___6u_此增大套圈表面的拉應力,促使表層的張開型淬火裂紋向里擴充套件。此外,較大的磨削力會改變套圈中內應力的分布狀態,使心部靠外區域中原來的壓應力變為拉應力,從而促進該處內部裂紋的萌生和擴充套件。因此,雖然磨削不是裂紋萌生的根本原因,但它促進了淬火裂紋的擴充套件,導致了套圈的磨削開裂。
3 結論
(1)該批gcr15鋼軸承套圈的開裂失效雖然發現於磨削工序,但並非磨削裂紋所致。
(2)原材料中的帶狀偏析和淬火加熱時的表面脫碳加劇了套圈的過熱敏感性,增大了淬火裂紋的萌生機率,致使套圈在較大的淬火應力下不僅產生了表面裂紋,也出現了內部裂紋。同時,淬火後未及時回火,使套圈長時間處於高應力狀態,促進了淬火裂紋的擴充套件。
(3)尖銳的機加工刀痕及零件稜角加劇了淬火應力的集中,成為裂紋萌生的主要位置。
4 改進措施
根據上述分析,採取了以下幾點改進措施,基本消除了gcr15鋼軸承套圈的磨削開裂現象:
(1)加強原材料的檢驗,確保其成分、組織及各種缺陷在標準允許的範圍內。控制球化退火及鍛造工序,保證淬火前的組織正常。
(2)提高淬火前零件的表面光潔度,消除尖銳的機加工刀痕。淬火加熱時,控制裝爐量,避免溫度過高或時間過長,以免發生較嚴重的氧化、脫碳;取消淬火後的室溫水清洗工序,保證淬火後及時回火。