轧机轴承座键套断裂失效原因分析

王晓峰 ，胡筱旋 ，杨静 ，赵宝纯 ，黄磊 ，2，钟莉莉 ，2

（1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；2.海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，辽宁 鞍山 114009）

轧机轴承座键套是套在轴与轧辊连接处外面的圆环状结构件，是轧机中不可缺少的部件，而其键套的断裂会导致连接处轴的移位、脱落等失效，最终使轧机无法正常运转，从而发生严重事故。引起轴承座键套断裂的原因很多，既可能是零部件的本身质量缺陷，也可能是外部因素的影响。某钢厂BD轧机传动侧轴承座键套对称位置发生断裂，该键套设计材质为42CrMo钢［1］，在线使用寿命仅 10 h，导致生产不能正常进行。因此，本文在失效键套上取样进行组织检验，分析轴承座键套断裂原因。

1 检验设备及方法

采用扫描电子显微镜对失效键套的断口进行形貌观察与分析。从轧机轴承座键套断口附近切取试样进行抛光，经4% HNO3酒精溶液腐蚀后，用ZEISS200 MAT光学显微镜观察其组织。轴承座键套的化学成分采用化学粉末法进行分析。

2 键套断裂原因分析

2.1 化学成分分析

键套材质为德国钢牌号42CrMo4V，对应的中国牌号为42CrMo，对键套化学成分进行分析，结果见表1所示。由表1可见，其化学成分符合原设计GB/T3077—2015《合金结构钢》标准中42CrMo材质的成分要求。

表1 键套的主要化学成分（质量分数）Table 1 Chemical Compositions in Bushing(Mass Faction) %

2.2 显微硬度及力学性能分析

对试样进行显微硬度及力学性能检测，并与设计要求的参数对比，结果见表2。由表2可知，显微硬度及抗拉强度符合设计要求，但其室温冲击功明显偏低。

表2 试样显微硬度及力学检测性能Table 2 Mcrohardness and Mechanical Properties of Samples in Test

2.3 断口形貌分析

2.3.1 宏观形貌

键套断裂部位在螺纹孔处位置，断裂成两半，螺孔处断口面较平直，呈灰亮色，具有脆性断口形貌特征。观察断口面形貌可确定，断裂是从螺孔一端螺纹处起始，向另一端外边部辐射扩展，最终导致完全断裂，断裂键套图片及断口表面宏观形貌图片分别见图1、图2。其中，孔处为断裂起源。

图1 断裂键套宏观形貌Fig.1 Macroscopic Appearance of Fractured Bushing

图2 断裂键套断口表面宏观形貌Fig.2 Macroscopic Appearance of Fracture Surface of Fractured Bushing

2.3.2 扫描电镜微观形貌

将两处断口试样分别在扫描电镜下观察，螺纹处断面大部分为解理微观形貌特征，局部区域微观呈沿晶断裂形貌特征（见图3），螺孔相对侧断口近表面处局部可观察到少量的沿晶断裂微观形貌（见图4）。试样起裂源位于螺纹处，有较少的疲劳裂纹，断裂时形成大面积的脆性扩展断裂区［2］，表明疲劳断裂特征不明显，在断裂失效时受到了较大的应力作用，呈低周高应力疲劳断裂特征。

图3 螺纹处断口试样微观形貌特征Fig.3 Microscopic Appearance Characteristics of Fracture Samples at Thread

图4 螺孔相对侧断口试样微观形貌特征Fig.4 Microscopic Appearance Characteristics of Fracture Samples on Opposite Sides of Screw Holes

2.4 金相分析

图5 为试样组织形貌。在键套断口位置附近试样基体边部组织以贝氏体为主，心部局部位置形成马氏体组织偏析带。马氏体组织偏析带的存在破坏了基体的连续性，降低了基体的力学性能。观察缺陷处组织形貌，起裂螺孔处表面有渗氮层，存在白亮层ε相［3］，其附近位置处马氏体组织较多。相对一侧断口及裂纹处试样截面上可以观察到裂纹扩展呈折线状，尖端较尖锐，具有应力开裂特征，断口缺陷组织形貌见图6。因试样经过渗氮处理，按GB/T 11354—2005《钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验》标准，采用硬度法对试样渗氮层深度进行测定，表面渗氮层深度约为0.57 mm，螺孔内渗氮层深度约为0.51 mm。渗氮层深度符合设计要求0.4～0.6 mm，但螺孔螺纹处未能按设计要求避免氮化处理，使螺纹处硬度较高［4］，在工作过程中此处受力较大，产生应力集中，因此容易形成裂纹源。

图5 试样组织形貌Fig.5 Microstructure Appearance of Samples

图6 断口缺陷组织形貌Fig.6 Appearance of Microstructures in Fracture Defect

3 分析与讨论

轧机轴承座是轧机中不可缺少的构件。轴承座用于支撑轴承，固定轴承外圈，仅让内圈转动，而键套是套在轴与轧辊连接处外面的圆环状构件，通过螺栓对其进行加强固定的，从而使轧机轴承座与轧机轴承之间的连接稳定而牢固。键套在工作时主要受到磨削力和冲击力等作用，因此起到固定作用的螺孔位置处在工作中会受到较大的扭转应力。

42CrMo钢是一种应用广泛的高强度合金结构钢［5］，失效键套化学成分符合合金结构钢［6］中的成分规定。这种钢通常采用加工成型后，通过调质热处理（淬火及高温回火热处理)或淬火处理等工艺获得回火索氏体或贝氏体等组织，从而得到符合使用性能要求的材料。本文中失效键套的基体显微组织为贝氏体+少量马氏体，在其表面及螺孔表面处存在渗氮层组织，这种组织造成键套力学性能明显降低，形成零件本身质量的缺陷。为了增加失效键套工作接触面的耐磨性，对键套进行了渗氮处理，但因其渗氮层具有脆性裂纹敏感性，所以对于受扭转拉应力的螺孔螺纹位置，则要完全避免其渗氮的发生，而失效键套在其位置处则形成了渗氮层，这就使其工作时在扭转应力的不断作用下［6］，键套高应力区域的螺孔螺纹处易形成裂纹源，产生最初的开裂。另外，键套基体组织中局部马氏体的形成表明失效键套热处理加工不均匀，局部冷速过快，而马氏体组织的形成导致韧塑性下降，并在开裂过程中成为裂纹易于扩展的通道，对键套的最终断裂起加速作用。

轧机键套要求在尽可能耐磨的情况下，保证其具有足够的刚度和强度，控制其热处理等工艺是其生产加工的关键，要使其零件表面耐磨，且基体组织强化达到最佳效果。生产时由于工艺参数波动，有可能发生个别键套零件组织不佳，这就要求按零件在工作中不同部位的使用性能需求差异性，设计合理的热处理工艺方案，如对零件进行调质处理、渗氮处理等，以获得符合性能要求的零件。在加工时严格按照工艺规定，使零件受热和冷却均匀，以增加组织的均匀性，避免组织偏析［7］；渗氮时对高应力区要求避免渗氮的部位严格做好防渗氮的保护［8］，从而减少微裂纹缺陷的产生。改进后，通过对键套渗氮处理中螺孔螺纹高应力区进行严格防渗氮保护，增强零件热处理充分性，减少马氏体组织产生，可以明显提高材料的力学性能，提高构件的使用寿命。

4 结论

（1）失效键套的断裂起源于螺孔一端螺纹处，螺纹处有明显的渗氮层，且表面硬度较高，裂纹敏感脆性增加，在工作过程中受力较大应力集中时，易形成微裂纹源。试样基体组织主要为贝氏体，局部组织存在马氏体偏析，组织连续性遭到破坏，试样力学性能降低，断裂时加速裂纹的扩展，最终导致其断裂。

（2）渗氮处理可增加零件表面的耐磨性，但同时也加剧了其脆性裂纹敏感性，因此在材料高应力部位要严格进行防渗氮的保护。在此基础上，通过对键套生产的热处理工艺进行调整和改进，尽可能减少组织中马氏体，增加组织均匀性，可大大提高材料基体的强韧性能，使其断裂次品率大幅降低，产品质量显著提高。