失效轴承套圈显微组织变异原因分析

赵燕，赵开礼，张凯胜,徐雷

(1.中航工业哈尔滨轴承有限公司，哈尔滨 150036；2.中国人民解放军驻哈尔滨轴承集团公司军事代表室，哈尔滨 150036)

1 概述

某型号大尺寸M50钢制轴承内、外圈直径分别为133.35，201.725 mm,内、外圈宽度分别为35.85，39.4 mm，在使用过程中多次发生外滚道剥落故障(图1)，该型号轴承工作寿命要求500 h，而发生故障的轴承工作时间普遍小于100 h。剥落位置均发生在外圈滚道工作表面，除剥落面积存在差异外，剥落表面整体形貌基本相似，经显微镜放大观察，剥落表面均为辗压和挤压特征。

图1 轴承外滚道剥落形貌

2 检测与分析

对故障轴承进行了系统的尺寸精度检测，并对零件冷、热加工质量进行排查，确认故障轴承的尺寸精度满足要求，滚道表面无磨削烧伤和原始裂纹缺陷，零件硬度和金相组织合格。

2.1 故障轴承显微组织

分别在故障轴承的剥落区及非剥落区截取试样，显微镜下观察其纵截面，发现滚道剥落区和非剥落区的亚表面均有成片的白色组织，类似蝴蝶形貌(以下简称为 “蝶形”组织)。从试样中可见“蝶形”组织距离滚道表面深度最大可达0.8 mm，长度最长可达0.2 mm，部分组织边缘上可见细小的微裂纹，裂纹尾部分叉，相比之下 “蝶形”组织在剥落区域次表面分布较多(图2)。扫描电镜下 “蝶形”组织略呈水印形貌(图3)，与基体颜色基本相同，说明“蝶形”组织成分与基体相近，其边缘有裂纹缺陷。

图2 显微镜下白色“蝶形”组织形貌

图3 扫描电镜下“蝶形”组织形貌

显微镜下观察，试样心部组织为回火马氏体+细小均匀分布的碳化物，其热处理质量符合JB/T 2850—2007《滚动轴承 Cr4Mo4V高温轴承钢零件热处理技术条件》的要求。

2.2 故障轴承微区成分及显微硬度

分别对故障轴承中“蝶形”组织和基体进行能谱分析，扫描位置如图4所示，扫描结果见表1。由表可知， “蝶形”组织与基体组织元素相同，说明二者成分无明显差异。

图4 能谱点扫描位置

表1 组织表面能谱点扫描结果 w,%

分别选取3处剥落试样的“蝶形”组织、基体组织进行显微硬度测试，结果见表2。由表可知，“蝶形”组织硬度比基体硬度高约150 HV0.1。

表2 “蝶形”组织和基体的维氏硬度 HV0.1

2.3 到寿轴承显微组织

任取3套使用状态良好、未发生故障的到寿轴承，在显微镜下观察滚道次表面，均未见明显的白色组织、夹杂及裂纹等缺陷(图5)。

图5 到寿轴承滚道边缘组织形貌

3 原因分析

3.1 “蝶形”组织的产生

“蝶形”组织是显微组织变异形成的白色浸蚀部分[1]，通常认为其形成一方面是由于轴承承受的重载作用，致使滚动接触零件产生显微组织变异；另一方面，轴承零件存在内部缺陷，在交变应力的作用下缺陷附近的显微组织发生变异[2]。

该型轴承工作过程中需承受轴向载荷30 000 N(短时70 000 N)，径向载荷1 100 N(短时5 500 N)，转速13 725 r/min，整体上看，轴承的承载和转速要求较高，但对多套到寿轴承截取试样观察，并未发现试样滚道次表面有“蝶形”组织和裂纹缺陷，说明该型号轴承的使用性能可满足工况要求，可排除载荷过大对组织转变的影响，因此，故障轴承“蝶形”组织的产生可能与内部缺陷有关。

采用水浸超声无损检测方法，对故障轴承、到寿轴承、厂内库存未使用的成品套圈和锻件套圈4种状态共160多件外圈进行内部缺陷检查，发现故障轴承外圈滚道次表面均有缺陷, 个别故障轴承在外径面次表面也有缺陷；此外有25件库存成品套圈和锻件分别在外径面或滚道次表面也存在缺陷，而到寿轴承状态均良好。

对以上故障套圈、库存成品套圈和锻件3种状态套圈的缺陷位置进行耦合，发现缺陷主要分布在外径表面下约2.4～6.4 mm和滚道次表面，其中也有部分套圈缺陷位于滚道承力侧附近(图6)。

图6 水浸超声检测缺陷集中位置

在存在缺陷的锻件套圈中，抽取信号幅度较大的锻件，在信号显现部位切取金相试块，经磨抛后在光学显微镜和扫描电镜上观察，未发现“蝶形”组织，但在缺陷显现部位发现了裂纹缺陷，其形貌如图7所示。对缺陷进行能谱分析，未发现除基体以外的其他元素存在，且每个缺陷均有深度，说明这些缺陷属于基体，从缺陷所处的位置、形态及金相组织形貌等综合分析认为，该缺陷是锻造缺陷，属锻造内裂。

图7 裂纹缺陷形貌

多件锻件套圈的缺陷与故障轴承缺陷相似，结合到寿轴承均未见“蝶形”组织和裂纹缺陷，说明“蝶形”组织的形成与其存在内部缺陷有关，是轴承在交变应力的作用下，滚道次表面缺陷附近的显微组织发生变异引起的，这也是 “蝶形”组织与基体组织成分无明显差异的原因。

3.2 裂纹缺陷的产生原因

通过对轴承的原材料和套圈生产加工过程的排查，发现轴承内部裂纹缺陷是在锻造加工过程中形成的。

轴承外圈是将φ80 mm×103.7 mm的料段在锻造温度下经镦粗、复合挤压冲孔、去冲孔连皮、辗扩等工序加工，最终形成外径φ206 mm、宽44.5 mm的环形锻件，锻造工艺流程示意图如图8～图10所示。

图8 锻造工艺流程示意图

在锻造加工过程中，因复合挤压冲孔和去冲孔连皮孔工序用的成形模和辗扩工序用的辗扩轮均未进行预热(为20 ℃左右的室温状态)，而料段温度为1 000 ℃左右，最先加工的料段因其外表面与室温下的模具或辗扩轮接触而使外表面快速降温，使其表面与心部材料出现较大温差，导致其金属流动和变形速度不一致，形成较大的内应力，并在次表面产生内部缺陷；另外，锻件在辗扩过程中，当心部与表面的温差达到一定程度时，在辗扩力和辗扩速度等外部因素的共同作用下，当表面和次表面的剪切应力大于材料的抗拉强度时，也会导致内部产生裂纹缺陷。

4 机理分析

综上所述，套圈存在锻造缺陷是导致其次表面显微组织发生变异，形成“蝶形”组织的直接原因。

因轴承的运转速度和工作载荷极高，工作过程中，滚道在高应力循环滚动接触作用下，次表面缺陷附近的材料发生弹性变形，滚动体离开此部位后弹性变形恢复，滚道次表面下的缺陷部位由变形到恢复的频繁变化在缺陷边缘产生大量形变热，并向周围扩散，形成类似“蝶形”的热影响区，使该区域材料的显微组织发生变异，形成“蝶形”组织。因其硬度略高于基体组织，在交变载荷作用下，缺陷沿着“蝶形”组织的边缘产生扩展，且两者之间相互促进发展，随着工作时间的加长最终在滚道表面产生疲劳剥落。

因变异后的“蝶形”组织一般很难浸蚀，所以在光学显微镜下呈白色；但因其成分与基体元素相同，所以在扫描电镜下二者颜色相近。

5 改进措施

为避免类似故障的重复发生，保证轴承的使用性能和可靠性，对轴承的锻造加工和缺陷控制采取以下措施：

1)提高套圈锻件加工质量，优化锻造工艺，对模具和辗扩轮进行有效预热，合理确定冲孔连皮位置、尺寸及去除方法，并严格控制锻造温度，避免锻造缺陷的产生。

2)对套圈锻件开展水浸超声无损检测，有效剔除存在内部缺陷的锻件。

通过验证和外场使用，确认改进措施有效，避免了锻造缺陷的产生，同时，该措施已推广应用于多个重点型号大尺寸M50钢轴承的工艺控制过程中，有效地提高了轴承锻件的加工质量，保证了轴承的性能满足可靠性要求。