圖 1 斷裂軸承外圈的宏觀形貌
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機架輥是軋機中配合軋機進行可逆軋制和運送軋件的部件,布置在軋機的出口側和入口側,其性能直接影響軋機的質量。機架輥由本體、卡緊裝置和傳動裝置組成。軸承為傳動裝置的重要組成部分,影響其壽命的因素有材料、結構、精度、安裝和密封、潤滑與冷卻等[1]。制造軸承的材料要求具有接觸疲勞性能良好、耐磨性高、韌性好、尺寸穩定性高等優點[2]。滾動軸承由外圈、內圈、滾子和保持架構成,其使用、維護方便,起動性能好,在中等運行速率條件下的承載能力較高,其正常失效形式為疲勞剝落。
某鋼廠寬厚板車間軋機機架輥軸承短期內多次發生斷裂事故,將其軋機出口處第1根機架輥操作側軸承更換后,該軸承僅使用1個月就發生軸承外圈斷裂現象。斷裂軸承為某型號的雙列調心滾子軸承,正常情況下能承受軸向和徑向雙向載荷,具有調心功能,能夠對軸彎曲變形以及配合面的不對中進行補償調節[3]。軸承外圈的一般制造工藝為：備料→鍛造→球化退火→機械加工→熱處理(淬火＋低溫回火)→磨削加工。軸承的更換影響了現場的生產節奏,造成了經濟損失。筆者采用一系列理化檢驗方法對軸承斷裂的原因進行分析,以避免該類問題再次發生。
1. 理化檢驗
1.1 宏觀形貌
斷裂軸承外圈試樣取自軋機機架出口處第1根機架輥操作側軸承,其完好時外徑為420 mm,有效厚度為12.5 mm。斷裂軸承外圈的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：軸承端面可見大塊材料剝落現象,未剝落位置的滾道邊緣出現多處尺寸較小的凹坑；主斷口呈L形路徑走向,斷口的直角轉彎位置存在向基體內部延伸的二次裂紋；根據斷裂形成的發散條紋和臺階走向可判斷,軸承外圈首先在滾道邊緣處起裂,端面發生剝落的同時,裂紋沿軸承軸向擴展至中部,擴展到一定位置后,又轉為周向擴展；套圈滾道內未見明顯小片金屬剝落及麻點等特征,也未觀察到明顯擦傷、滾子碾壓形成的變形痕跡,以及高溫氧化色[4]；白色圓圈處可見凹坑,該凹坑為焊接支架取出斷裂軸承時焊材燒損所致。
1.2 化學成分分析
使用直讀光譜儀對斷裂軸承外圈試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：試樣的化學成分滿足GB/T 18254—2016 《高碳鉻軸承鋼》對GCr15SiMn鋼的要求。應用氧氮氫聯測分析儀對試樣進行氫元素質量分數測試,結果為0.000 6%。
Table 1. 斷裂軸承外圈試樣的化學成分分析結果
| 項目 | 質量分數 | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | Cr | Mo | |
| 實測值 | 1.00 | 0.65 | 1.19 | 1.43 | 0.014 |
| 標準值 | 0.95～1.05 | 0.45～0.75 | 0.95～1.25 | 1.40～1.70 | ≤0.10 |
1.3 力學性能測試
對斷裂軸承基體進行硬度測試,其結果為58 HRC,符合JB/T 1255—2014 《滾動軸承 高碳鉻軸承鋼零件 熱處理技術條件》的要求。在斷裂軸承外圈上取樣,對試樣進行沖擊和拉伸試驗,結果如表2所示,可見斷裂軸承外圈沖擊吸收能量較低,平均值僅為4.00 J。
Table 2. 斷裂軸承試樣沖擊及拉伸試驗結果
| 項目 | 沖擊吸收能量/J | 斷后伸長率/% |
|---|---|---|
| 實測值 | 3.87,4.03 | 0.29,0.26 |
| 平均值 | 4.00 | 0.28 |
1.4 金相檢驗
在斷裂軸承外圈上截取試樣,對試樣進行金相檢驗,結果如圖2所示。由圖2可知：套圈基體主要組織為體心立方結構的回火馬氏體,基體中還存在少量殘余奧氏體及少量滲碳體,這是該類型軸承的正常組織,其氫脆敏感性較高。
圖 2 軸承外圈的顯微組織形貌
對斷裂軸承外圈滾道邊緣的小凹坑截面處進行金相檢驗,結果如圖3所示。由圖3可知：軸承外圈滾道邊緣可見裂紋和白亮層；對裂紋端部放大后觀察,裂紋呈沿晶形貌特征。在滾子的大載荷碾壓下,滾道邊緣產生應力集中[5-6],且材料的脆性較大,最終導致材料產生裂紋。軸承外圈上的注油孔位于寬度方向的中間位置,因此滾道邊緣容易產生潤滑不良問題。白亮層的產生原因為,軸承滾子受到異常軸向力后,撞擊潤滑不良的滾道邊緣在該處發生摩擦,產生巨大熱量,短時間內超過奧氏體化溫度,隨后快速冷卻,形成形變馬氏體[7-8]。
圖 3 斷裂軸承外圈滾道邊緣的小凹坑截面處微觀形貌
按照GB/T 10561—2023 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》對斷裂軸承外圈縱截面試樣進行非金屬夾雜物評級,結果如表3所示。由表3可知：非金屬夾雜物為細系,未檢測到大尺寸非金屬夾雜物,試樣符合GB/T 18254—2016的要求。
Table 3. 斷裂軸承外圈非金屬夾雜物評級結果
| 項目 | A | B | C | D | DS | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 細系 | 粗系 | 細系 | 粗系 | 細系 | 粗系 | 細系 | 粗系 | ||
| 實測值 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0.5 | 0 | 1.5 |
| 標準值 | ≤2.5 | ≤1.5 | ≤2.0 | ≤1.0 | 0 | 0 | ≤1.0 | ≤0.5 | ≤1.5 |
1.5 斷口分析
對圖1中斷裂軸承外圈位置1,4進行斷口分析,位置1,4處斷口形態類似,其中位置1斷口銹蝕程度較輕,斷口特征更明顯,因此在位置1斷口處取樣,用除銹劑清洗試樣,位置1斷口的掃描電鏡(SEM)形貌如圖4所示。由圖4可知：根據斷口上發散條紋走向可初步判斷斷口由滾道邊緣起裂,然后向外壁擴展；對斷口滾道邊緣位置放大后觀察,可見由滾道邊緣向外擴展的發散條紋,進一步說明該斷口斷裂源在滾道邊緣處；斷裂源處呈以韌窩為主的準解理特征形貌,還可見少量沿晶斷裂特征形貌,沿晶晶粒的尺寸約為4.5 μm,晶粒較細。
圖 4 位置1斷口的SEM形貌
在圖1中斷裂軸承外圈位置2,3處斷口取樣,對試樣進行掃描電鏡分析,結果如圖5所示。由圖5可知：位置2處斷口呈沿晶與韌窩混合特征形貌,沿晶晶粒尺寸約為6 μm,斷口上可見彌散分布的碳化物顆粒；位置3處斷口主要呈沿晶斷裂特征形貌,可觀察到明顯的二次裂紋,沿晶晶粒尺寸約為10 μm,斷口上也可見彌散分布的碳化物顆粒。
圖 5 位置2,3斷口的SEM形貌
利用掃描電鏡對軸承外圈拉伸試驗后的試樣斷口進行觀察,結果如圖6所示。由圖6可知：斷口上可見由邊部起源的發散條紋,斷裂源處呈明顯沿晶斷口特征形貌,晶粒尺寸約為8 μm。
圖 6 拉伸試驗后軸承外圈試樣斷口SEM形貌
2. 綜合分析
由上述理化檢驗結果可知：斷裂軸承外圈材料為GCr15SiMn鋼,其化學成分滿足標準要求；斷裂軸承外圈基體硬度為58 HRC,符合該鋼種低溫(150～250 ℃)回火后,回火馬氏體組織的硬度要求(58～64 HRC),軸承外圈基體硬度正常；軸承外圈試樣的平均沖擊吸收能量只有4.00 J,且在拉伸試樣斷口斷裂源處觀察到沿晶斷裂特征,說明軸承外圈材料的韌性、塑性較差[9], 脆性很大,拉伸時試樣發生了脆性斷裂。
斷裂軸承外圈滾道邊緣斷口主要呈準解理特征形貌,并有少量沿晶特征,裂紋沿軸向滾道向內擴展,且沿晶斷裂特征越來越明顯,晶粒尺寸較小,說明軸承外圈沿晶斷口不是淬火加熱溫度高而形成沿晶裂紋擴展所致。沿晶斷口上未觀察到晶間沉淀相聚集和晶間腐蝕產物,也未發現蠕變特征形貌,因此也排除了這些因素引起沿晶斷裂的可能。軸承外圈的顯微組織為回火馬氏體,說明回火溫度較低,不處于回火脆性溫度區,因此排除了回火脆性導致沿晶裂紋的可能。一般鋼中氫元素質量分數超過0.000 5%時就會產生氫脆裂紋,而超高強度鋼的臨界氫元素含量更低[10]。該斷裂軸承外圈試樣的氫元素質量分數為0.000 6%,且其顯微組織為回火馬氏體,具有很高的氫脆敏感性,因此判斷該軸承外圈沿晶脆斷的原因為其材料的氫元素含量較高,使軸承外圈發生氫致開裂[11]。滾道內部的厚度較薄、強度較低,且距離注油槽區域最近,裂紋沿材料的薄弱處擴展,最終導致軸承斷裂。
在軸承外圈滾道邊緣截面處可同時觀察到基體內部的沿晶裂紋和滾道表面的形變馬氏體,但該沿晶裂紋并未與形變馬氏體相連,判斷軸承外圈滾道邊緣受到異常軸向力,產生了應力集中,且軸承材料的脆性較大,產生了沿晶裂紋,裂紋擴展后形成了斷裂源。
對固定斷裂軸承的軸承座進行檢查,在軸承座上觀察到明顯磨損痕跡,說明軸承座經過長期服役后發生了變形,導致軸承偏載。在對軸承座進行更換后,盡管軋材的扣頭甩尾現象仍然存在,但可以延長軸承的使用壽命。因此,軸承座變形是導致軸承外圈受到異常軸向力的主要原因。軸承長期在扣頭甩尾現象較為嚴重的情況下服役,軸承的安裝工藝不當,軸承斷裂后未及時取出等均可能對軸承座造成磨損,造成軸承座變形。
3. 結論
軸承外圈斷裂的主要原因為：軸承座變形使機架輥軸承偏載并產生異常軸向力,使得軸承滾子與外圈滾道邊緣發生大載荷碾壓現象,在該處產生應力集中,且軸承材料脆性較大,使軸承外圈滾道邊緣產生裂紋,裂紋向滾道內部擴展,最終導致軸承斷裂。
文章來源——材料與測試網
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