钢球失效影响因素及实例分析

郭 浩１ ２ ３,雷建中２,张永振３,扈林庄２

(１．机械科学研究总院 武汉材料保护研究所特种表面保护材料及应用国家重点实验室,武汉 ４３００３０;

３．洛阳轴承研究所有限公司,洛阳 ４７１０２９;

２．河南科技大学 高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室,洛阳 ４７１０２３)

摘 要:概括了钢球失效的影响因素及其常见缺陷类型和特征,并通过宏观观察、微观形貌分析、硬度测试、化学成分分析、热酸洗试验、极点受力试验等方法对轴承钢球失效的原因进行了分析.结果表明:钢球的制造过程、后续储存和保管及使用过程均影响钢球质量,进而对钢球寿命产生影响,最终影响滚动轴承寿命.实例分析中钢球因回火时间不足使得回火稳定性不合格且存在超标的网状碳化物,导致其承载能力相对偏低而断裂.

关键词:钢球;失效分析;回火稳定性;网状碳化物

中图分类号:TG１１５ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０９Ｇ０６６２Ｇ０７

滚动轴承作为重要的基础零部件,在工业中应用广泛,尤其在苛刻条件下的应用逐渐增多,工业上对轴承性能(如高可靠性等)的要求也越来越高.因此,有必要采取措施提高滚动轴承的寿命.滚动轴承一旦失效必然会造成相应重要工程设备的重大损失,因此应当重视滚动轴承的失效分析[１Ｇ５].众所周知,滚动体是滚动轴承的重要零件之一,其寿命一定程度上决定了滚动轴承的寿命[６].对３１４００套轴承试验进行统计发现:对于深沟球轴承,钢球失效引起轴承失效的比例为２０％;对于角接触球轴承,钢球失效引起轴承失效的比例则为 ４５．２％.因此有必要了解滚动体的制造过程,从而了解其失效的影响因素进而掌握其失效机理,以便改进滚动体质量以及为轴承设计和延长轴承寿命提供理论和数据支持.

钢球是滚动轴承最常见的滚动体之一,钢球规格不同,成型方式亦不同.按照钢球直径大小,钢球常见的成型方式有冷镦、热轧和热锻造.另外,钢球多由棒材加工而成,成品钢球均有加工流线.因此,业内通常把钢球沿钢材轧制方向截面局部区域称为极点区,与之垂直的沿钢球中部圆周方向区域称为钢球赤道.因此,可以按照缺陷产生部位把钢球划分为３个部分(１为极点区,２为钢球其他部位,３为赤道区),如图１所示.了解了钢球的加工特征后还需了解钢球的制造

过程,包括原材料、加工成型(冷热加工)、热处理、磨削、后续防锈、保管及服役过程,进而掌握钢球常见缺陷形式及缺陷部位.钢球的每个加工步骤均会影响钢球质量,进而对钢球寿命产生影响,最终影响滚动轴承的寿命[７Ｇ８].已有文献对失效钢球实例进行分析,认 为 材 料 因 素 (缩 孔 残 余[９Ｇ１０]、冶 金 翻 皮[１１]等)、淬火裂纹[１２]、加工裂纹[１３]等是引起钢球失效的主要原因.然而,钢球失效的影响因素较多且特征不同,文献仅仅是对失效钢球实例进行分析而未进行系统总结,因此笔者以钢球制造过程为主线,对钢球失效的影响因素进行了归纳总结,重点概况了各个影响因素常见缺陷的类型、特征及产生原因.最后对失效钢球实例即转盘轴承失效钢球进行了失效分析,查明了导致其失效的主要原因.

１ 钢球失效的影响因素及常见缺陷特征钢球失效的影响因素如图２所示.对钢球进行失效分析,必须了解钢球失效的主要影响因素以及钢球从原材料到制造再到服役过程的常见缺陷,才能有效预防缺陷的产生进而提高钢球质量,最终提高其寿命.

１．１ 材料冶金因素

钢球材料质量显著影响钢球的性能,而材料质量又不可避免地会受其化学成分和冶炼技术的影响.针对钢球材料冶金因素,钢球常见的冶金缺陷主要有材料裂纹、缩孔残余、冶金翻皮、白点等.材料裂纹垂直于钢球赤道,沿材料轧制方向分布,裂纹两侧严重脱碳并常伴有灰色氧化皮,主要原因是严重的非金属夹杂物、过高的加热温度和锻轧后冷却速度过快等.缩孔残余为沿轴向的疏松条带,主要存在于钢球心部,产生原因为钢液在钢锭模中凝固时,由于体积的收缩而形成的孔穴和孔洞没有被清除.冶金翻皮组织与基体不同,常伴有严重脱碳层且主要存在于钢球表面,是表层钢液被卷入钢锭中而形成的.白点为氢所引起的一种内部裂纹缺陷.若成品钢球存在材料冶金缺陷,则必然会导致钢球早期失效,因此须采取措施预防.

１．２ 制造与装配因素

成品轴承钢球的性能与钢球的加工工艺及热处理质量有关.随着钢材冶炼水平的提高,钢材质量也有了大幅度的提升,因此钢球的加工工艺(热加工和冷加工)及热处理质量日益受到重视.研究表明,工具磨损以及机加工条件均影响钢球表面的显微硬度以及残余应力分布,进而影响疲劳寿命[１４];同时,硬车削工艺以及磨削表面质量均影响钢球滚动接触疲劳性能[１５Ｇ１６].机加工使钢球零件成型,而热处理则保证了钢球的性能(硬度、强度等),因此热处理质量对钢球质量影响较大.常见的制造与装配因素缺陷包括热加工裂纹、热处理裂纹、磨削烧伤、挤压和磕碰伤等,具体见表１.

１．３ 环境因素

随着科学技术的发展,轴承的服役环境(真空、高温、强磁场、大电流)越来越苛刻,对轴承性能的要求不断提高,因此对钢球质量的要求也日益严格.影响钢球质量的环境因素主要是腐蚀(酸蚀和氧化锈蚀),通常产生于钢球表面,呈大小不等的斑点或孔洞缺陷,大多随机分布且较浅,边界自然,无明显损伤,根据底部的显微组织可大致确定缺陷产生的工序,一般都是因钢球管理维护不当而引起.

１．４ 服役条件

钢球在轴承内高速滚动(自旋和公转)起到传递载荷的作用.一方面单位时间内摩擦引起温度增加,温度增加引起润滑油特性改变,进而影响钢球滚动轴承接触疲劳寿命;另一方面,速度增加,滚动体离心力增加,表层应力分布改变,切应力增大,进而

对滚动体接触疲劳寿命产生影响.另外,滚动体与接触面间的滑动不可避免,滑动会降低钢球的公转速度,同时接触表面除了存在法向应力,还会产生切应力分量,由此产生较高的次表面应力,降低疲劳寿命[１７].研究表明,滚动轴承接触面应力随载荷的增加而增大且与载荷呈函数关系[１８];滚动轴承结构不同,钢球接触面间载荷分布也不同.另外,轴承服役条件十分复杂,没有任何一种或一类润滑能满足所有服役条件.故针对特定的服役条件,润滑状态(润滑膜厚度、润滑剂的污染、润滑剂相互作用等[１９Ｇ２０])对钢球寿命也有很大影响.针对服役条件,引起钢球产生失效的主要缺陷有钢球载荷异常、润滑不良及润滑剂污染.

２ 转盘轴承钢球失效分析实例

钢球失效的影响因素众多且彼此之间又相互影响.因此在具体的钢球失效分析时,只有查找导致钢球失效的主要因素,才能更好地采取预防措施.另外,掌握了如上所述的钢球常见质量缺陷特征,进行钢球失效分析时,更有利于准确分析失效原因.

另外进行失效分析时还要遵循一定的原则,对此文献[２１Ｇ２２]有详细的论述.下面以转盘轴承失效钢球为实例,进行实例分析.

２．１ 概况

现 有 若 干 粒 材 料 为 GCr１５ 连 铸 钢 的?２８．５７５mm钢球(仅有两粒相对完整,其他均为破碎钢球,如图３所示).这些钢球装配在转盘轴承内使用约一个月即失效了,而其额定寿命为一年.钢球为热轧成型,其淬回火工艺为:８４０℃保温５０min后淬火＋１６０ ℃回火４０min.需要说明的是,钢球作为滚动轴承的重要零件之一,对其失效分析要综

合考虑其材料质量、制造质量、服役条件和环境因素,还要结合轴承特征进行综合分析.

２．２ 宏观形貌

由图３可知,钢球表面布满缺陷且表面损伤严重;破碎钢球的断口表面及其边缘光滑.仔细观察钢球断裂面的裂纹走向可以确定,破碎钢球多数是从一处开裂并向心部扩展的,如图４所示.

２．３ 微观形貌

将表面有较多麻点缺陷的半粒钢球使用超声波清洗、烘 干 后,采 用 JSMＧ６３８０LV 型 扫 描 电 镜(SEM),对其工作表面上的其中３处缺陷(分别编号为 A,B,C,如图５所示)形貌进行变倍观察,可见钢球表面缺陷为程度不同、形状各异的垫伤和挤压伤.选择 A 处缺陷进行放大观察,如图６所示,可见挤压坑边缘均有微裂纹,其他未见异常.

２．４ 硬度测试及回火稳定性试验

选同批次钢球采用２００HRSＧ１５０型数显洛氏硬度计测试钢球硬度及其均匀性,同时采用相同的热处理工艺(８４０ ℃保温５０min后淬火＋１６０ ℃回火４０min)对两粒同批钢球进行回火稳定性试验,结果见表３和表４.依据JB/T１２５５－２０１４«滚动轴承高碳铬轴承钢零件 热处理技术条件»进行评判可知,钢球的基体硬度及其均匀性均符合标准要求,但回火稳定性不符合标准要求.

２．５ 压碎载荷试验

依据JB/T１２５５－２０１４附录 B 对同批次钢球进行压碎载荷试验(钢球压力值大于标准值即停止加载),结果见表５,可见钢球压碎载荷值符合标准要求.

２．６ 化学成分分析

采用SPECTRO M９型直读光谱仪对钢球进行化 学成分分析,结果见表６.可见钢球的化学成分符合 GB/T１８２５４－２０１６«高碳铬轴承钢»的要求. 

２．７ 金相检验

将失效钢球横向切开磨制成金相试样,对其进行观察可知,钢球表面有较多自表面向内部扩展的裂 纹,如 图 ７ 所 示,其 非 金 属 夹 杂 物 含 量 符 合GB/T１８２５４－２０１６的要求.用４％(体积分数)的硝酸酒精溶液侵蚀试样,并放置在金相显微镜下观察其显微组织,如图８和图９所示,可见钢球表面有烧伤组织,裂纹最大深度为０．２４mm,周围无脱碳现象,钢球的淬回火显微组织为细小针状马氏体＋细小残留碳化物＋少量残余奥氏体,依据JB/T１２５５－２０１４评定为３级,符合标准要求.钢球的网状碳化物形貌如图１０所示,依据标准评定为３级,不符合JB/T１２５５－２０１４的要求.同批次未使用的钢球表面未见烧伤组织.

２．８ 热酸洗试验

选３粒破碎钢球按照JB/T１２５５－２０１４进行热酸洗试验.结果如下:其中一粒钢球表面有圆弧状小裂纹,如图１１所示;另外两粒钢球初始断裂处在钢球极点附近,断裂面与流线方向平行,如图１２所示.

２．９ 极点受力对比试验

采用同一厂家生产的同批次钢球进行两极点受力试验.首先,将钢球放入５０％(质量分数)的盐酸水溶液中加热,直至钢球出现极点以便确认钢球极点位置,如图１３所示.由于加热过程引入了腐蚀应力,因此酸洗前后任取两粒钢球,各测量３处应力值,结 果 见 表 ７,可 见 两 钢 球 腐 蚀 应 力 值 相 差２５MPa,可认为腐蚀应力影响条件一致.然后,对酸洗后钢球随机分为a~f共６组(每组３粒钢球).a~c组对极点方向连续施加载荷,直至钢球碎裂,共４粒钢球碎裂,如图１４所示;d~f组对垂直极点方向连续施加载荷直至钢球碎裂,共４粒钢球碎裂,如图１５所示.图１６为碎裂钢球的断口形貌.可见沿极点方向加载,钢球均沿极点方向碎裂,但沿垂直极点方向加载,钢球虽沿加载处碎裂,但极点处亦有裂纹扩展痕迹.钢球压碎试验结果见表８,可见沿垂直极点方向钢球的压碎值是沿极点方向钢球压碎值的１．５２倍,说明极点处抗压强度低.

２．１０ 分析与结论

钢球的材料及淬回火组织均符合相关标准要求,但回火稳定性和网状碳化物均不符合相关标准要求.同批次未使用钢球表面显微组织未发现烧伤组织,而失效钢球表面存在局部烧伤组织,说明烧伤为运转过程中产生且可以排除钢球润滑不良的影响.从钢球的损伤情况可以看出,缺陷及其微裂纹均起源于表面,可能是因个别钢球破碎后造成的;钢球表面损伤后不仅使轴承润滑状态改变还会使轴承所承受的接触应力增大,当外加载荷超过钢球的承载能力时,更多数量的钢球就会发生破碎,如此形成了恶性循环并造成未破碎钢球表面局部显微组织出现烧伤现象.同时,钢球极点区是钢球的薄弱区,当同等大小的载荷施加在极点处时更易导致钢球断裂.从钢球的整个淬回火工艺过程来看,其回火时间偏短导致了回火稳定性不合格且网状碳化物超标(破坏了材料的连续性),当内应力叠加、偏大时就导致承载能力不足的钢球开裂或破碎.

２．１１ 结论及建议

钢球回火时间不足使得回火稳定性不合格且存在超标的网状碳化物,导致其承载能力相对偏低而断裂.建议适当延长回火时间,提高钢球的承载能力,同时采取措施改善钢球网状碳化物的分布.

３ 结束语

如前所述,钢 球 的 制 造 过 程 (原 材 料、加 工 成型、热处理、磨削)、后续储存和保管及使用过程均影响钢球质量,进而对钢球寿命产生影响,最终影响滚动轴承寿命.钢球失效的影响因素很多且互相影响,通过 对 失 效 钢 球 进 行 失 效 分 析 可 以 了 解钢球整个制 造 过 程 和 服 役 状 态,从 而 掌 握 钢 球 失效机理,进 而 提 出 改 进 措 施,为 改 进 钢 球 制 造 工艺,提高成品钢球质量和轴承设计提供依据,最终提高轴承寿命。