G20Cr2Ni4A 轴承滚子开裂失效分析

史淑艳，田昕伟，郑嘉琪，邹龙江

（大连理工大学材料科学与工程学院，辽宁 大连 116023）

0 引言

瓦房店某轴承制造有限公司生产的G20Cr2Ni4A轴承滚子，是安装在轴承上的承载力较大的受挤压部件。服役过程中，G20Cr2Ni4A 轴承滚子表面需要具有高硬度、高耐磨性和耐疲劳性。该轴承滚子采用低碳合金优质钢，为达到外硬内韧的性能要求，原材料需经过锻造→车削加工→934 ℃表层渗碳处理→870 ℃直接淬火→600 ℃高温回火空冷→810 ℃二次淬火→155 ℃低温回火处理→磨削等工艺进行加工，最后得到轴承滚子。滚子两端为直径不同的中孔，长为100 mm，大头直径为58 mm，小头直径为48 mm，内孔直径为22 mm。在轴承上安装运行大约50 min 后，轴承滚子发生纵向断裂，即沿轴承滚子外表面向内贯通断裂成两块。滚子内表面未发现机加工导致的不当缺陷。开裂滚子的宏观形貌如图1 所示，断口大部分呈银灰色，靠近内孔面附近处局部存在银白色氢脆（俗称“白点”）缺陷，未发现明显的夹渣气孔等缺陷（见图2）。

图1 断裂轴承滚子断口宏观形貌

图2 断裂轴承滚子断口高倍照片

1 试验方法

通过线切割沿轴承滚子径向截取金相样，并以径向截面作为金相制备面。首先将得到的样品在机械预磨机上经粗砂纸到细砂纸磨光，再在抛光机上用金刚石抛光剂进行抛光处理。采用质量分数为3%和4%的硝酸酒精溶液对抛光好的试样分别进行浅腐蚀和深腐蚀，然后采用莱卡MEF-4 金相显微镜对渗氮层金相组织进行观察和网状碳化物评定，以确定金相组织是否合格及网状碳化物是否超标[1-2]。采用洛氏硬度计检测磨抛光亮的金相试样渗碳层和基体的硬度值，即由滚子外表面沿径向向心部检测硬度梯度，以确定其硬度是否达到标准要求[3-4]。采用红外碳硫分析仪（CS-8800）和X 射线荧光光谱仪（XRF-1800）分析试样的化学成分，确定其成分是否合格。在断裂的滚子疑似氢脆（白点）附近处，采用线切割截取断口试样。在超声清洗机上采用酒精震荡清洗断口试样，然后用扫描电镜（SUPARR-55）进行断口分析。

2 试验结果

2.1 金相分析

金相试样经机械抛光后，采用质量分数为3%的硝酸酒精溶液浅腐蚀后，放在金相显微镜下放大500倍观察渗碳层金相组织。结果表明：渗氮层金相组织为回火细小针状马氏体+点状碳化物；依据JB/T 8881—2001《滚动轴承零件渗碳热处理技术条件》要求，评为2 级，热处理金相组织合格（见图3）。采用质量分数为4%硝酸酒精溶液深腐蚀后，将金相试样放在金相显微镜下放大500 倍进行渗碳层金相组织观察，依据上述标准判定其碳化物分布是否合格。结果表明：网状碳化物主要由点状碳化物组成；网状碳化物评定为1 级，网状碳化物合格[5]（见图4）。心部基体金相组织为回火低碳板条马氏体，符合标准要求（见图5）。

图3 金相组织：回火细针马氏体+点状碳化物

图4 渗碳层碳化物评级：网状碳化物为1 级，合格

图5 心部基体金相组织：回火低碳板条马氏体

2.2 化学成分分析和硬度检测

为确定材料的化学成分是否合格，采用碳硫分析仪和X 荧光光谱仪分析送检试样的化学成分，化学成分分析结果如表1 所示。分析结果表明：化学成分符合G20Cr2Ni4A 钢的标准要求，且化学成分合格。

表1 G20Cr2Ni4A 钢的化学成分

硬度梯度测试：在金相抛光面上，由外表面向心部每隔0.5 mm 测量一个硬度，共测12 个洛氏硬度值（HRC），硬度测试结果如表2 所示。结果表明：硬度符合JB/T 8881—2001《滚动轴承零件渗碳热处理技术条件》标准要求，硬度值合格。表面硬度（HRC）为60.2（标准为58～63），心部硬度（HRC）为39.0（标准为32～48）。淬硬层深度为5.0 mm（标准硬度为50.0 处深度≥3.0 mm、标准硬度为58.0 处深度＞2.0 mm）。轴承滚动体硬度值合格，符合标准GB/T 3203—1982《渗碳轴承钢技术条件》和JB/T 8881—2001《滚动轴承零件渗碳热处理技术条件》的标准要求，渗碳层厚度≥3.5 mm，合格。

表2 G20Cr2Ni4A 钢的硬度检测结果

2.3 轴承滚子断口的扫描电镜分析

用扫描电镜对开裂滚子的断口试样进行形貌观察。结果表明：断口呈一次性脆性开裂特征，存在解理平面，表面光滑并伴有氢脆发纹，局部存在“樱穗状”或“鸡爪状”微裂纹，呈现出氢脆断口发纹特征，为典型的脆性断口特征，是应力强度因子较小时（低碳钢）典型的氢脆沿晶断口形貌[6-7]，如图6—图9 所示。

图6 氢脆断口低倍形貌1

图7 氢脆断口低倍形貌2

图8 氢脆性断口高倍形貌1

图9 氢脆断口高倍形貌2

3 断裂失效原因分析与讨论

断裂滚子金相组织、硬度梯度和化学成分均符合标准；滚子渗碳层腐蚀后，碳化物呈点状分布，其网状碳化物评级合格。由扫描电镜对断口形貌进行观察分析可知，滚子断裂类型为早期氢脆引起的快速开裂。由于滚子靠近外表面基体内部存在氢脆（白点）缺陷，当轴承运转时，滚子受到挤压，在外力和氢脆处内张力的共同作用下，引起其快速断裂[8-9]。

在高温+氢介质条件下，氢原子将会进入钢的基体并滞留在基体内，且以原子状态渗入晶格。服役过程中，常温下氢原子会结合成氢分子，氢分子体积迅速膨胀产生很高的内张力，形成沿晶断裂的微裂纹，滚子运转过程中，在外力的作用下，微裂纹快速生长，从而发生早期快速开裂失效。

送检滚子氢脆产生的原因有两种：一是原材料在冶炼或轧制过程中，因环境湿度大或存在油污，在高温情况下导致了氢原子进入基体引起氢脆；二是产品在渗碳过程中，在高温+氢介质条件下，操作工艺不当造成氢原子进入基体引起氢脆[10]。