眾所周知，軸承在實際使用中，由于種種原因，諸如結(jié)構(gòu)不合理、材質(zhì)差、熱處理不當、存在表面缺陷、安裝不當和潤滑不良而導致失效。滾動軸承的失效機理受軸承自身材料、加工、應用等多因素的影響。某型號的圓錐軸承使用于輪軸部位，跑合后軸承產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，這是應用過程中經(jīng)常會出現(xiàn)的一種失效模式之一，針對這種常發(fā)的故障模式，按有關(guān)部門要求，對其圓錐軸承使用中發(fā)熱的高碳鉻軸承鋼滾子的內(nèi)在質(zhì)量進行分析。
選擇了幾種典型形貌特征的滾子，對其滾子的化學成分、酸洗后顏色異常部位的組織及其基體組織進行了分析和歸類。此類失效模式因滾動面使用過程中由于接觸不良，所導致的滾動面微熱、強熱，而導致滾動體的表層組織產(chǎn)生變化，探討其組織形貌特征，從而為全面準確分析軸承失效的原因提供基礎數(shù)據(jù)，具有一定的意義。
1.材料成分分析與牌號
采用手持合金分析儀器，對發(fā)熱軸承滾子其主要化學成分進行檢測及用材料牌號進行確定，檢驗結(jié)果見表1，依據(jù)JB18254—2014 高碳鉻軸承鋼技術(shù)條件，其主要化學成分符合該標準要求，確定滾子用材料為GCr15。
表1 化學成分 (質(zhì)量分數(shù))（%）
類型 | Mn | Cr | Mo | Ni | Cu |
標準 | 0.25～0.45 | 1.40～1.65 | ≤0.10 | ≤0.25 | ≤0.25 |
試樣1 | 0.38 | 1.56 | 0.05 | 0.13 | 0.08 |
試樣2 | 0.41 | 1.42 | 0.05 | 0.10 | 0.12 |
試樣3 | 0.38 | 1.37 | 0.07 | 0.12 | 0.11 |
2.滾子發(fā)熱后外觀形貌
對使用中異常升溫的軸承，拆套并清洗軸承滾子。肉眼觀察工件表面顏色無明顯變化，可以看到其表面無裂紋、無破碎、無剝落痕跡，但滾子滾動面上存在有環(huán)形條紋，滾子滾道表面有劃傷，手感這些劃傷部位未有凹凸感，滾動球基面似有變色現(xiàn)象，但不明顯。但由于摩擦的作用產(chǎn)生的熱能，增加了發(fā)生熱損傷的可能性。
3.滾子酸洗后形貌及分析
對外觀顏色無明顯變化的圓錐軸承滾子，冷酸洗檢查其表面存在的缺陷，其外觀形貌見圖1。
第一類是冷酸洗后的滾子高溫回火燒傷部位均呈現(xiàn)黑色,條形狀燒傷，而無燒傷部位呈現(xiàn)灰色，如圖1a、1b和1c可見。這是由于使用過程中，當溫度超過工件熱處理時的回火溫度而產(chǎn)生的回火燒傷，相當于工件高溫回火引起的表面熱軟化。
第二類是冷酸洗檢查可見燒傷部位也有滾子存在局部白色條紋，屬于二次淬火燒傷，見圖1 b。由于使用過程中，產(chǎn)生摩擦熱，當溫度超過奧氏體化溫度，由于摩擦時發(fā)生應力誘發(fā)相變，導致金屬表層磨削熱急劇升溫至淬火加熱溫度，隨之冷卻，造成磨削表層二次淬火?？傊?，產(chǎn)生工件的表面變質(zhì)層；嚴重者，會導致表面開裂。
第三類屬于劃傷類缺陷，屬于規(guī)律性的線性劃傷，見圖1c。形態(tài)特征呈現(xiàn)線狀，有手感的光亮溝紋，且呈現(xiàn)規(guī)則型的環(huán)形條紋。當滾動軸承油脂含有灰塵、金屬粉末等雜質(zhì)或在運行中由于金屬之間摩擦及材質(zhì)缺陷等原因，使摩擦下來的金屬微粒在滾道和滾子之間摩擦，硬性顆粒或物體尖刃部與之接觸并有相對移動而產(chǎn)生的表面線狀機械性損傷，造成零件表面劃傷或壓痕。
（c）試樣2滾動面 （d）試樣3白亮條紋
圖1 滾子酸洗后的外觀形貌
4.滾子的組織變化及分析
對上述滾子顏色異常的不同部位以及環(huán)形條紋，進行線切割加工取樣，制取金相試樣，采用4%硝酸酒精腐蝕，采用OLYMPUS GX51 光學顯微鏡對試樣進行觀察，觀察其不同部位的組織形貌，歸為四大類其組織形貌見圖2。而對正常區(qū)域的組織檢驗和分析表明，其組織均符合JB/T1255—2014標準要求；對正常區(qū)域的滾動面硬度檢驗均滿足60～64HRC的要求，顏色異常區(qū)域的硬度為56~58 HRC低于標準要求。
（1）二次淬火燒傷組織
對滾動面的二次淬火燒傷條紋處制取截面試樣，其組織形貌見圖2a和2b，白色區(qū)域為二次淬火組織，呈現(xiàn)月牙型，黑色月牙型區(qū)域也為高溫回火燒傷組織區(qū)。當溫度超過奧氏體化溫度，原來的馬氏體組織被重新加熱轉(zhuǎn)變成奧氏體，隨后快冷被淬火，形成了了一層薄、硬而脆的沒有經(jīng)過回火的馬氏體，在白亮區(qū)邊緣被暗黑色帶所包圍，這層暗黑色區(qū)屬高溫回火燒傷區(qū)。當多種應力綜合，超過該材料強度極限，嚴重者會引起表層二次裂紋。
（2）高溫回火燒傷組織
在滾子球基面穴內(nèi)及穴邊緣酸洗后外觀有明顯的黑色區(qū)域，制成截面金相試樣，其組織形貌見圖2c和2d，觀察表面有1～2mm的高溫回火組織表層，其余心部組織為正常的淬回火馬氏體組織。當回火溫度達到300℃時，由于碳原子的擴散能力增強，碳化物與馬氏體間的共格關(guān)系遭到破壞，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體型碳化物（Fe3C），殘留奧氏體完全分解。隨著溫度的不斷升高，在固溶體分解的同時碳化物聚集長大的作用越來越激烈，速度也越來越大，出現(xiàn)的回火屈氏體，其耐腐蝕能力比正常的低溫馬氏體要小。因此，滾子高溫回火區(qū)更容易腐蝕。不同回火溫度所得到的不同的組織，產(chǎn)生不同的組織變化，因而其抗腐蝕能力不同。酸洗呈現(xiàn)不同的色差。由于馬氏體的分解，殘留奧氏體的分解，碳化物的析出與聚集長大的結(jié)果，使組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體和回火屈氏體，導致其抗腐蝕能力大大降低。
（3）混合型燒傷組織
在滾動面上既有二次淬火燒傷，也有高溫回火燒傷，其組織形貌見圖2 e和2f。在滾動面沿徑向方向的黑色條紋（酸洗后呈現(xiàn)）區(qū)域，可觀察到有數(shù)個大小不一、圓形或接近圓形的白色二次淬火燒傷微區(qū)，長度不大于50μm；還有部分的高溫回火區(qū)以及正常區(qū)域同時共存的組織形貌。
（4）劃傷型的組織
在滾動面上沿周向方向分布，在此該規(guī)則性的環(huán)形條紋處，直接磨制金相試樣，其形貌見圖2g和2h。顯微鏡下低倍觀察圖2g有一白色環(huán)形條紋，周圍有許多細小的窄條劃痕，呈現(xiàn)不同的角度趨向，但也有許多一致的去向，這些窄條劃痕應是制樣中留下的小劃痕所致，而這條環(huán)形條紋是在該區(qū)域產(chǎn)生了塑性變形區(qū)，從而具有較高的抗腐蝕性。這些區(qū)域的金相組織既沒有發(fā)生高溫回火，也沒有發(fā)生二次淬火燒傷。
5.結(jié)語
（1）劃傷型的環(huán)形條紋系為摩擦產(chǎn)生的塑形變形區(qū)痕跡，但金相組織未發(fā)生變化；無論是細小條紋還是比較明顯的白色條紋均為摩擦所產(chǎn)生的，且具有明顯的抗腐蝕形。
（2）酸洗顏色異常的區(qū)域系發(fā)生嚴重的摩擦的塑形變形，由于磨擦熱導致高溫回火，發(fā)生了組織的變化；嚴重者發(fā)生了二次淬火燒傷層，但也有介于這兩種之間的混合性組織形貌，而正常區(qū)域的馬氏體組織均為3級，屬于合格控制級別。
（3）排除了熱處理工序所產(chǎn)生的組織類型缺陷。
作者：張玲，曾朝凡，王嬋，等
單位：洛陽LYC軸承有限公司，航空精密軸承國家重點實驗室
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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