濟南市鴻慷機電設備有限公司位于交通便利的泉城濟南，是全球生產(chǎn)滾動(dòng)軸承和直線(xiàn)運動(dòng)產(chǎn)品的領(lǐng)導企業(yè)---德國舍弗勒集團在山東的授權代理商。公司專(zhuān)營(yíng)舍弗勒集團旗下兩大品牌德國INA軸承和德國FAG軸承，是一家順應經(jīng)濟發(fā)展需要而誕生的專(zhuān)業(yè)化新型高端軸承公司。多年來(lái)一直從事軸承的銷(xiāo)售和售后技術(shù)支持，在機械行業(yè)技術(shù)方面有著(zhù)非常豐富的經(jīng)驗，今天濟南鴻慷機電進(jìn)口軸承專(zhuān)家為大家介紹一下軸承套圈的斷裂失效分析及裂紋形貌特征。

  摘要：通過(guò)軸承的斷裂失效實(shí)例，分析淬火、鍛造水裂、車(chē)削和磨削裂紋的形貌及斷口特征，探討了裂紋的形成原因和相應的預防措施，總結出不同類(lèi)型的裂紋形貌和斷口特征。

  1前言

　　某軸承廠(chǎng)在裝配88107EYYN軸承期間，接連發(fā)現軸承外圈在裝配力作用下斷裂，對這批軸承套圈調查結果如下。

　　1.軸承結構

　　該軸承套圈比普通套圈多二條密封槽，此結構特點(diǎn)決定它比普通套圈更容易引起應力集中（見(jiàn)圖1）。

　　2.零件的選材與加工工藝

　　1）原材料：采用GCr15熱軋圓棒料。

　　2）工藝流程：下料—鍛造—退火—車(chē)削—淬火—清洗—回火—磨削—裝配。

　　3.工藝現狀調查

　　1）鍛造：由于冷卻鍛模的水管泄漏，壓力機附近地面有積水。

　　2）車(chē)削：操作人員采取大進(jìn)給量切削，使部分套圈表面出現很深的刀痕。

　　3）淬火：振底式氮氣保護淬火爐，由于長(cháng)期未清除爐膛，滴入的丙酮與套圈攜帶的臟物，在爐底板上形成較厚的粘狀物，使部分套圈在淬火加熱時(shí)被粘在爐內停留時(shí)間過(guò)長(cháng)。

　　4）磨削：操作人員采取高速磨削，使用已變鈍的磨輪，并保持大進(jìn)給量，導致磨削時(shí)冷卻不充分，產(chǎn)生大量的磨削熱。

　　5）裝配：裝配時(shí)須加力使套圈變形，才能將最后一顆鋼球放入內、外套圈的間隙中。如圖2所示，在外力F的作用下，套圈外表面A處和內表面B處受到拉應力，而在外表面D處和內表面C處則受到壓應力。

  ２裂紋形貌及斷口特征

　　從該批套圈中抽取50只，先進(jìn)行冷酸洗，發(fā)現部分套圈有裂紋，但未發(fā)現表面脫碳，然后對這部分套圈進(jìn)行去應力回火和熱酸洗。

　　去應力回火工藝和熱酸洗方法為：（1）去應力回火工藝：加熱到400℃，保溫1h，取出空冷至室溫。（2）熱酸洗方法：套圈在50%HCl溶液中加熱到60℃，煮20min，取出用冷水刷洗。

　　熱酸洗后發(fā)現12只套圈表面有裂紋，其中淬火裂紋5只，鍛造水裂2只，車(chē)削裂紋2只，磨削裂紋3只。在這些次品套圈中，有的套圈同時(shí)存在2種不同類(lèi)型的裂紋。再取不同類(lèi)型的裂紋套圈各1只，垂直于裂紋截取試樣、觀(guān)察裂紋周邊和末端形貌。分析如下。

　　1.裂紋形貌分析

　　1）淬火裂紋（見(jiàn)圖3）：裂紋細長(cháng)，彎曲不規則地分布在套圈外表面，裂紋起始端在密封槽（應力最集中的位置）。從圖4裂紋的周邊和末端形貌上可看到裂紋深0.2mm，平直無(wú)分枝，周邊無(wú)氧化脫碳區，裂尖銳利。原因是裂紋在淬火快速冷卻過(guò)程中形成，隨后套圈不再經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間高溫加熱，因此裂紋周?chē)鸁o(wú)氧化脫碳區。

　　2）鍛造水裂裂紋（見(jiàn)圖5箭頭A處）：裂紋起始于端面倒角處，沿軸向延伸。普通鍛造裂紋是鍛加工后沿晶界出現的表面龜裂狀開(kāi)裂，而鍛造水裂裂紋是鍛造成形的高溫套圈掉入地面積水中，套圈部分區域在積水中被淬火所造成。再從圖6的裂紋周邊和末端形貌上可看到，裂紋深0.5mm，平直無(wú)分枝，周邊有氧化脫碳區，裂尖圓鈍。原因是套圈在鍛造后再需退火，在退火過(guò)程中裂紋經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間高溫加熱，使裂紋周邊產(chǎn)生氧化、脫碳。

　　3）車(chē)削裂紋（見(jiàn)圖7）：裂紋短而直，沿套圈圓周方向（即車(chē)刀運動(dòng)方向）斷斷續續地平行分布，再從圖8的裂紋周邊和末端形貌來(lái)看，裂紋深0.1mm，無(wú)分枝和氧化脫碳區、裂尖銳利。原因是車(chē)削裂紋也在淬火過(guò)程中形成，以后不再經(jīng)歷長(cháng)時(shí)間高溫加熱，所以裂紋周?chē)鸁o(wú)氧化脫碳區。

　　4）磨削裂紋（見(jiàn)圖9）：裂紋呈網(wǎng)狀分布，其形貌與熱處理表面龜裂相似但有區別，磨削裂紋套圈的表面有時(shí)伴隨出現帶狀回火區域，熱處理表面龜裂的原因是表面脫碳，而冷酸洗時(shí)未發(fā)現表面脫碳，因此圖5中的表面網(wǎng)狀裂紋是磨削裂紋。再從圖9的裂紋周邊和末端形貌來(lái)看，裂紋深0.08mm，無(wú)分枝和氧化脫碳區，裂尖銳利。原因是磨削裂紋形成后也不再經(jīng)歷長(cháng)時(shí)間高溫加熱，因此裂紋周?chē)鸁o(wú)氧化脫碳區。

　　2.斷口特征分析

　　1）淬火裂紋斷口：由灰色粗結晶狀斷口區組成，根據JB1255—91標準評定為過(guò)熱斷口（見(jiàn)圖10）。

　　2）鍛造水裂斷口：斷口由淺灰色細瓷狀脆性斷口區組成，按有關(guān)標準評為正常斷口，但在滾道一側有寬2mm、長(cháng)16mm的黑色斷口區，而在黑色斷口區與淺灰色斷口區交界處有多條極細的放射線(xiàn)，這表明黑色斷口區為裂紋源（見(jiàn)圖11）。

　　3）車(chē)削裂紋斷口：斷口平直，由灰色細瓷狀脆性斷口區組成，按標準評為正常斷口。此外在斷口上還可看到短的徑向裂紋與套圈內表面粗車(chē)刀痕相連，這表明裂紋是在粗車(chē)刀痕根部起裂并朝徑向擴展而形成，在外力作用下它進(jìn)一步加深（見(jiàn)圖12箭頭處）。

　　4）磨削裂紋斷口：斷口由淺灰色細瓷狀脆性斷口區組成，按標準可評為正常斷口，此外在斷口上也有放射線(xiàn)，但無(wú)黑色斷口區（見(jiàn)圖13）。

 ３裂紋形成原因及預防措施

　　1.淬火裂紋的形成原因是由于在振底式氮氣保護爐內部分套圈被粘住，而未能按節拍振出高溫加熱區，導致淬火加熱溫度過(guò)高，加熱時(shí)間過(guò)長(cháng)，使奧氏體晶粒變粗，碳化物溶解過(guò)多，在淬火過(guò)程中形成粗大馬氏體，伴隨產(chǎn)生很大的組織應力和熱應力，當套圈應力集中處（密封槽）的應力超過(guò)原子間結合力則產(chǎn)生微裂紋，隨后微裂紋進(jìn)一步擴展形成淬火裂紋。預防措施是清理振底式氮氣保護爐爐膛粘狀物，防止套圈加熱時(shí)被粘住。

　　2.鍛造水裂裂紋的形成原因是鍛加工時(shí)操作人員不慎將剛鍛造成形的高溫套圈掉入機床附近的地面積水中，預防措施是排除地面積水或防止套圈掉入積水。

　　3.車(chē)削裂紋的形成原因是淬火冷卻時(shí)在粗車(chē)刀痕處產(chǎn)生應力集中，使刀痕根部開(kāi)裂產(chǎn)生微裂紋并徑向擴展。預防措施是使操作人員正確地執行操作工藝，避免產(chǎn)生粗車(chē)刀痕。

　　4.磨削裂紋的形成原因是磨削過(guò)程中采用鈍磨輪和大進(jìn)給量高速磨削，使套圈表面溫度達820～840℃，套圈表面部分區域被重新奧氏體化，這部分奧氏體在冷卻液作用下再次被淬火成馬氏體（二次馬氏體），由此產(chǎn)生很大的熱應力和組織應力，結果在套圈表面形成網(wǎng)狀磨削裂紋。預防措施是及時(shí)修整磨輪，避免采用大進(jìn)給量高速磨削，減少磨削熱。

  ４結論

　　1.淬火裂紋：裂紋呈不規則線(xiàn)條狀，起始于應力集中區（如棱角、凹槽、夾雜物等部位），裂紋周邊無(wú)氧化脫碳區，裂尖銳利，過(guò)熱斷口。

　　2.鍛造水裂裂紋：裂紋較深，起始于水浸部位，裂紋周邊有氧化脫碳區，裂尖圓鈍，正常斷口。

　　3.車(chē)削裂紋：裂紋較淺，呈直線(xiàn)狀，起始于粗車(chē)刀痕根部，裂紋斷斷續續地沿車(chē)刀運動(dòng)方向平行分布，裂紋周邊無(wú)氧化脫碳區，裂尖銳利，正常斷口。

　　4.磨削裂紋：裂紋較淺呈網(wǎng)狀，磨削表面常伴隨出現帶狀回火區，裂紋周邊無(wú)氧化脫碳區，裂尖銳利，正常斷口。

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