李 其 王長健 曹泉波

(中國二重大型鑄鍛件研究所，四川618013)

某齒輪廠在裝配1 MW風(fēng)電增速機(jī)軸承時(shí)，有3件B26雙列圓錐滾子軸承的內(nèi)圈發(fā)生斷裂，該軸承為進(jìn)口軸承，材質(zhì)牌號(hào)為SUJ3(日本牌號(hào))，型號(hào)為230/530CA/W33/530X780X1/，內(nèi)孔直徑為?530 mm，為查明斷裂原因，對(duì)其中的兩件失效的軸承內(nèi)圈進(jìn)行理化檢驗(yàn)分析，以查明軸承內(nèi)圈斷裂的原因。

1 試驗(yàn)方法

(1)將軸承內(nèi)圈斷口采用丙酮清洗后進(jìn)行宏觀斷口分析；

(2)將斷口切下后，將剩余部分軸承內(nèi)圈的內(nèi)壁面、外壁面進(jìn)行低倍酸蝕試驗(yàn)，檢查軸承內(nèi)圈的內(nèi)外壁是否存在缺陷；

(3)在圖1虛線處沿?cái)嗫诿娣较?軸向)、垂直于斷口面方向(橫向)在軸承內(nèi)圈內(nèi)壁缺陷處切取低倍試片，檢查軸承低倍組織及缺陷深度；

(4)在軸向低倍試片上切取化學(xué)成分分析試樣，對(duì)軸承內(nèi)圈進(jìn)行化學(xué)成分分析；

(5)在軸向低倍試片缺陷處切取金相試樣，對(duì)缺陷的微觀形態(tài)、軸承的金相組織進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 宏觀斷口分析

圖1 軸承內(nèi)圈分析取樣圖Figure 1 The sampling drawing for bearing inner ring analysis

兩件軸承內(nèi)圈的斷口經(jīng)清洗后觀察，斷口形貌基本一致，斷口面均大致平行于內(nèi)圈軸向，斷口呈淺灰色、均有以斷裂源為中心的發(fā)散撕裂棱，斷口較為平齊，為脆性斷裂。斷口面上均存在兩處斷裂源，見圖2中箭頭所指位置。

2.2 化學(xué)成分檢驗(yàn)

按JIS G 4805—1999標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)軸承內(nèi)圈進(jìn)行化學(xué)元素分析，結(jié)果見表1。結(jié)果表明：除Cr元素外，化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

2.3 硬度檢驗(yàn)

按照J(rèn)B/T 7361—1994，采用Akashi MVK-H11維氏硬度計(jì)對(duì)軸承內(nèi)圈內(nèi)壁進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，沿軸向共打8個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)測量三次，取平均值，測試結(jié)果見表2。從檢驗(yàn)結(jié)果看到，內(nèi)圈內(nèi)壁硬度值符合JB/T1255—2001標(biāo)準(zhǔn)要求，但硬度的均勻性不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 軸承內(nèi)圈斷口宏觀照片F(xiàn)igure 2 The macrograph of bearing inner ring fracture

表1 化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The test results of chemical composition (mass fraction，%)

表2 硬度檢驗(yàn)結(jié)果HRCTable 2 The hardness test result(HRC)

2.4 熱酸洗檢驗(yàn)

將斷口面切去后剩余部分軸承內(nèi)圈采用50%的鹽酸熱腐蝕后，在內(nèi)圈外壁未發(fā)現(xiàn)缺陷；在內(nèi)圈內(nèi)壁的兩端觀察到兩種形態(tài)的裂紋。一種裂紋較細(xì)，呈龜裂狀；另一種裂紋較有規(guī)則排列，裂紋為大致平行且間距大致相等的條狀裂紋，條狀裂紋方向?yàn)檩S向，未觀察到其他明顯的冶金缺陷，見圖3和圖4。

圖3 內(nèi)圈內(nèi)壁一端裂紋形貌Figure 3 Crack appearance on one side of inner ring wall

圖4 內(nèi)圈內(nèi)壁另一端的裂紋形貌Figure 4 Crack appearance on the other side of inner ring wall

圖5 內(nèi)圈軸向低倍組織及內(nèi)壁裂紋Figure 5 The inner ring axial macroscopic structure and the inner wall crack

圖6 軸承橫向低倍組織及內(nèi)壁裂紋Figure 6 The bearing transverse macroscopic structure and the inner wall crack

圖7 裂紋深度方向微觀形態(tài) ×100Figure 7 The microscopic appearance along crack depth direction

軸向及橫向低倍試片經(jīng)50%的鹽酸熱腐蝕后觀察，內(nèi)圈內(nèi)壁的裂紋無論是網(wǎng)狀裂紋還是條狀裂紋，其深度均很小，最深的不足1 mm，見圖5和圖6。

2.5 金相檢驗(yàn)

試樣經(jīng)拋光后，采用徠卡DMI500M型金相顯微鏡觀察，在拋光面上能觀察到一條長約0.5 mm的裂紋，在深度方向呈弧形擴(kuò)展，其形貌見圖7。夾雜物按GB10561—2002檢驗(yàn)，結(jié)果見表3；試樣經(jīng)4%的HNO3酒精溶液腐蝕后檢驗(yàn)，裂紋兩側(cè)組織未見氧化脫碳現(xiàn)象，見圖8。按GB/T 18254—2002評(píng)定網(wǎng)狀、帶狀碳化物級(jí)別和碳化物液析級(jí)別，評(píng)定結(jié)果見表3。碳化物液析形貌和帶狀偏析形貌，見圖9。按JB/T1255—2001標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熱處理質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果見表3，組織為回火隱針馬氏體+碳化物。

表3 軸承內(nèi)圈金相檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 Metallographic test results of bearing inner ring

圖8 裂紋與金相組織 ×500Figure 8 Crack and metallographic structure ×500

圖9 碳化物帶狀偏析及液析 ×100Figure 9 Carbide zonal segregation and liquation ×100

3 結(jié)果與討論

(1)軸承內(nèi)圈的化學(xué)成分，夾雜物、碳化物、顯微組織均按我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)，軸承的冶煉質(zhì)量及熱處理質(zhì)量良好，軸承內(nèi)圈內(nèi)壁兩端的裂紋與軸承冶煉過程和熱處理制度無關(guān)。

(2)從斷口的宏觀形貌觀察得知，軸承內(nèi)圈的斷裂起源于內(nèi)壁的兩端。由斷裂軸承內(nèi)圈內(nèi)外壁的低倍熱酸腐蝕檢驗(yàn)結(jié)果可知，在軸承內(nèi)圈內(nèi)壁的兩端存在網(wǎng)狀裂紋及條狀裂紋，網(wǎng)狀裂紋及條狀裂紋的深度均較淺，不足1 mm，這均是磨削裂紋的典型特征。磨削裂紋的產(chǎn)生主要與磨削用砂輪粒度、硬度、磨削速度和進(jìn)給量等工藝參數(shù)選用不當(dāng)有關(guān)。參數(shù)選擇不當(dāng)會(huì)使軸承在磨削過程中產(chǎn)生大量的磨削熱，使零件表面溫度劇烈升高。當(dāng)溫度升高到軸承鋼的相變溫度以上時(shí)，會(huì)重新發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，在再次冷卻過程中所產(chǎn)生的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力極易超過該處的強(qiáng)度極限，導(dǎo)致磨削表面出現(xiàn)磨削裂紋[1]。

4 結(jié)論

文中所分析的1 MW風(fēng)電增速機(jī)軸承內(nèi)圈斷裂原因是軸承內(nèi)圈內(nèi)壁兩端存在磨削裂紋，而裝配后內(nèi)圈內(nèi)壁又承受較大的應(yīng)力，磨削裂紋在應(yīng)力作用下擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂。

[1] 廖衛(wèi).鋼制軸承典型裂紋原因分析[J].國外金屬熱處理，2004，25(6)：41-44.