宋正会1 张国滨2 李海刚2
（1.凌钢集团质量部，辽宁凌源 122504；2.欧波同蔡司电镜Demo实验室， 北京 100020）
摘 要：通过蔡司扫描电子显微镜及能谱仪测试分析了E2330轴承内套滚道剥落的原因。结果表明：由于E2330轴承内套成分不均，引起轴套内局部的碳、铬元素浓度的偏高，形成大量大块呈圆形碳化物、淬火组织和残余应力的分布不均匀即增加了基体脆性，导致了E2330轴承内套早期剥落失效。
关键词：轴承滚道；剥落；碳化物；应力
轴承内套在工作中往往会由于结构设计不合理，材料质量差、性能低，工作表面的缺陷、冲击、振动、安装不当和润滑不良等原因，造成轴承早期失效。有关资料[1]表明轴承材料问题和使用不当造成的轴承早期失效，要占到轴承失效事故总量的90%以上。
某公司生产的E2330轴承内套滚道，在使用过程中出现轴承内套滚道早期剥落失效现象，在反复的滚动和滑动作用下，轴承和轴承套圈接触表层和表面将出现疲劳。重复性的加载、卸载循环会产生表层变形和表面裂纹，超过一定循环次数后，表面Z终剥离出碎片，在表面上留下凹坑，它们被称为点蚀或剥落坑。Ø300mm GCr15轴承钢内套在滚道处发生较大面积的剥落，因在剥落后机器仍在运转，轴承内套滚套在轴承反复的滚动和滑动作用下，剥落坑断裂原始面貌已经面目全非，坑底表面十分光滑，给分析剥落原因带来较大困难，为此，笔者采取综合分析方法，在蛛丝马迹中寻找可疑的信息，在剥离处中心沿纵向切开，进行扫描电镜及能谱分析，以寻求失效根本原因。
1 蔡司扫描电子显微镜及能谱仪测试分析
1）在剥离处中心沿纵向切开，进行扫描电镜观察；经拆套后发现钢球、保持架以及外套都完好无损，只有轴承的内套滚道撕裂剥离，剥离坑呈V字形，剥离坑底部光滑，坑的上下各有一处凸起及二次裂纹，如图1、2所示。
（a）轴承内套滚道撕裂剥落的宏观形貌； （b）轴承内套滚道剥落小颗粒形貌。
图1 轴承内套滚道剥离形貌
图2 扫描电镜轴承内套滚道的碳化物组织
2）在轴承内套滚道上取样，试样经磨抛后，经4%硝酸酒精溶液腐蚀后，在蔡司扫描电子显微镜观察剥离部位附近的纵向面上存在较多的大块呈圆形碳化物，不均匀分布，如图2（a）、（b）、（c）、（d）所示；碳化物组织颗粒边缘的微裂纹形貌，如图2（e）、（f）所示。大块圆形碳化物、碳化物组织颗粒边缘的微裂纹形貌，使热处理后轴承套的使用性能变差、寿命变短；轴承内套滚道热处理工艺为：845℃淬火、油冷，200℃回火。
3）在原始轴承内套滚道上取样，经过酒精清洗后，在蔡司扫描电子显微镜观察原始轴承内套滚道剥离形貌中，发现多处剥离一次裂纹及二次裂纹，如图3（a）、（b）所示；在轴承内圈滚道底部剥落块观察到的接触疲劳轮胎状条纹形貌，在疲劳裂纹开裂后的断口相对面上，在规则的往复推压时，由相对面上的尖刃，大颗粒碳化物质点反复挤压或刻入形成压痕，这些压痕与汽车轮胎在泥地上的压痕十分相似，因此成为轮胎压痕，如图3（c）所示；在轴承内圈滚道底部观察到的接触疲劳剥落块形貌，如图3（d）所示。
图3 轴承内套滚道的剥落裂纹形貌
4）对经4%硝酸酒精溶液腐蚀后试样进行蔡司扫描电子显微镜结合能谱，进行能谱测试，发现显微组织中碳化物中大量存在强碳化物元素，表明轴承内套在进行回火时碳化物不能充分分解，并其中任意一个碳化物进行能谱分析，分析表明碳化物中含有大量的强碳化物形成元素，进而推理轴套存在合金元素分成偏析，结果如图4所示。
图4 轴承内套滚道的碳化物能谱分析
2 讨论与分析
从扫描电镜观察到的剥落块疲劳条纹特征得以证实，轴承内套在滚道处发生较大面积的剥落，属于在交变应力作用下的疲劳磨损断裂。试验证实，疲劳磨损剥落是由4个连续过程形成。
1）在压力P作用下，除在接触表面产生拉应力外，在载荷点的下方还存在剪切应力，在交变剪切应力作用下，使表层产生周期性变形和位错行为。
2）在碳化物、组织应力集中的影响下，微小裂纹或空穴在变形中形成并不断积聚。
3）在金属产生塑性剪切变形时，裂纹在近乎与表面平行的方向上扩展。
4）当裂纹扩展到表面时便形成薄片剥离层而Z终剥离下来；Z终轴承内套滚道发生早期失效分析。
GCr15轴套中一次碳化物是产生疲劳磨损断裂的根源，扫描电镜都观察到剥离部位附近的纵向面上存在较多的大块呈圆形碳化物，这种碳化物也叫做液析碳化物，其来源于GCr15钢材的冶炼和连铸或模铸过程；轴承钢因化学成分的高碳、质量分数为1.5%左右的Cr，在凝固过程中遵循相律和选分结晶的自然规律，钢液Z终凝固时在树枝状晶之间凝固析出（Fe，Cr）3C及Cr7C3大颗粒碳化物，即碳化物液析。这种碳化物属于三角晶系，其硬度和脆性极高，易与奥氏体形成亚稳态莱氏体共晶产物，是碳化物不均匀性中危害Z大的一种，其破坏性要远远大于点状不变形夹杂物和氧化物夹杂。液析碳化物破坏了轴套性能的连续性，使用过程中在交变载荷、冲击载荷的作用下，液析碳化物处极易产生应力集中，而且由于液析碳化物和基体的热膨胀系数不同，在压力加工过程中或零件热处理时，在液析碳化物和基体的界面上易形成初始微裂纹、初始微裂纹是轴承疲劳磨损断裂的裂纹源和产生疲劳剥落的根本原因。
蔡司扫描电子显微镜结合能谱，进行能谱分析测试，表明碳化物中强碳化物形成元素Cr、Mn元素含量过高，从而表明轴承内套存在成分偏析现象，在随后的热处理过程中改变相图C曲线位置，使组织相变不能同时发生，形成大量呈圆形的碳化物、淬火组织和残余应力的分布不均匀，即增加了基体脆性，削弱了晶粒与晶粒、晶粒与基体以及基体与基体之间的接合力；在Cr、Mn元素含量过高区域形成大块状碳化物，存在大量大块状碳化物，碳化物硬度很高，塑性、韧性几乎为零，脆性很大。在反复的滚动、滑动、重复性的加载和卸载循环作用，轴承和轴承套圈接触表层和表面为疲劳作用情况下，碳化物、组织及残余应力导致轴套微裂纹产生，超过一定循环次数后，微裂纹进一步扩展到轴套表面，Z终轴套表面现剥离碎片及产生裂纹，导致轴套早期失效。
综上所述，E2330轴承内套滚道在交变剪切应力作用下，大颗粒液析碳化物及组织应力部均匀分布成为疲劳磨损断裂的裂纹源并产生微裂纹，这些微裂纹扩展到一定程度时，连接在一起，造成E2330轴承内套滚道剥落失效。
3 改进措施
1）E2330轴承内套原材料GCr15在生产上，首先应从冶炼浇铸工艺着手，尽Z大可能降低成分偏析程度，控制GCr15钢中碳化物的形状和尺寸；然后在加工工序采取合理的扩散处理措施。就轧钢工序而言，提高加热温度，延长加热时间，是消除液析碳化物的有效途径之一。
2）在E2330轴承内套热处理工艺上，加热要充分，炉温要均匀，合理提高奥氏体化热处理温度、延长奥氏体化时间、适当提高相变冷却速度；从而达到成分扩散均匀，抑制大块碳化物析出、避免热处理相变时组织应力产生，是防止E2330轴承内套滚道剥落早期失效的重要途径。
4 结论
E2330轴承内套滚道剥落的原因是轴承滚道显微组织存在大量大块状呈圆形碳化物、淬火组织和残余应力的分布不均匀性。
参考文献：
[1]雷建中.国内外轴承失效分析[C]第九届南通——洛阳暨华东轴承热处理技术交流会论文集.南通;2007.
来源：《物理测试》第30卷第6期 2012年11月
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