轧机轴承早期脆断分析

刘耀中

轧机轴承.尤其是用于开坯轧机轧辊的轴承，在工作时承受较大的冲击载荷，主要失效形式之一是早期脆断。本文以轧机轴承为例，对导致轴承早期脆断的原因及防止措施进行探讨。

一、轴承失效分析

轧机轴承因不易安装，以铜锤敲击助装时，或出现平直轴向裂纹贯穿整个外圈.或发生破碎。裂纹起源于挡边处，并向径向及轴向扩展，导致外圈断裂。断口宏观形貌见图1。

图1  断口宏观形貌

1.材质分析

轴承材料为GCr15钢，材质光谱分析结果见表1。材质较纯净，夹杂物多为复合夹杂物。塑性硅酸盐夹杂居多，尺寸较小。带状碳化物极少，但个别区域较严重。

2.热处理质量分析

(1)硬度  在碎块中间沿轴向切取试样，测定各个方向的硬度分布。测试部位及结果分别见及表2。

(2)金相组织  金相分析表明，外表面组织为回火马氏体，碳化物分布均匀(除极个别严重带状区外)，按JB1255-91标准评为2～3级。内表层局部(尤其是油沟附近)出现大块托氏体(屈氏体)，体积比大于20%，见图2。由内表面向外表面方向，托氏体明显减少，外表面基本无托氏体，见表3。晶粒度为8～9级。形状为等轴状。经X衍射分析，残余奥氏体量为15.6%。比正常淬火、160℃回火组织的残余奥氏体量略高。未磨加工部位无明显脱碳。

(3)酸洗检查  冷酸洗时，未发现裂纹等缺陷。在75℃左右的温度下进行热酸洗时，套圈两外挡边内侧及内表面、中间挡边两侧及表面均出现裂纹，尤其是侧面裂纹分布密、深度深。经250～270℃×2.5h回火后的试块热酸洗时，未发现裂纹。

二、分析与讨论

从材质来看，除个别区域碳化物带状较严重外，其余组织级别均较低.工件的致密度高。但数量极少的严重带状碳化物不是造成套圈破碎的主要原因，组织-断口对应分析也未发现裂纹起源于严重的碳化物带状区。

从热处理质量看，淬回火组织基本正常，但存在以下几个问题：①内表面局部有大量的托氏体，而外表面基本无托氏体。众所周知，淬火过程中，奥氏休向马氏体转变时的体积膨胀量大于奥氏体向托氏体转变时的膨胀量，由于内表面存在大量托氏体，导致套圈在淬火过程中整个截面上体积膨胀不一致，使内表面，尤其是油沟及挡边处处于残余拉应力状态。②残余奥氏体偏多。大量不稳定的残余奥氏体在磨加工或自然时效过程中发生分解成为新鲜的硬脆马氏体，一是降低了材料的韧性；二是导致尺寸变化，降低了配合精度。③硬度均匀性差，且硬度值普遍偏高，尤其是挡边处硬度均在63HRC以上。经160℃×3h再回火后，硬度落差最大达1.4HRC。以上情况表明，轴承回火温度在160℃以下，且回火不充分。

从酸洗结果来看，未经再回火的试样在热酸洗时出现裂纹，这说明轴承外圈在淬火过程中及磨加工时造成的残余应力较大，在热酸液的作用下，材料强度降低，使易于造成应力集中的挡边处内应力超过热酸洗作用下的断裂强度而出现热酸洗裂纹。在装机时，由于材料脆性大，残余应力大，且因较多的残余奥氏体引起的尺寸变化，使轴承不易安装。安装时由于施加的外力和工件中残余应力的影响，使套圈挡边处首先发生断裂，随后扩展并最终导致整个外圈的早期脆断。

对轧机轴承而言，由于其服役时承受大的冲击载荷，因此对轧机轴承的主要性能要求是防止断裂，其次才是提高耐磨性，延长使用寿命。可从以下几个方面进行改进：

(1)适当降低淬火温度，改善冷却条件，提高回火温度及延长回火时间，或采用贝氏体等温淬火。以提高材料强度及韧性，降低残余应力及残余奥氏体含量，提高尺寸稳定性。

(2)改普磨削条件，加强冷却，控制进刀量，以降低磨削应力，避免磨削烧伤。

(3)改善挡边形状，使挡边与油沟过渡区平滑，降低应力集中，提高零件整体强度。