G20Cr2Ni4A 軸承滾子開裂失效分析

史淑艷，田昕偉，鄭嘉琪，鄒龍江

（大連理工大學材料科學與工程學院，遼寧 大連 116023）

0 引言

瓦房店某軸承制造有限公司生產的G20Cr2Ni4A軸承滾子，是安裝在軸承上的承載力較大的受擠壓部件。服役過程中，G20Cr2Ni4A 軸承滾子表面需要具有高硬度、高耐磨性和耐疲勞性。該軸承滾子采用低碳合金優質鋼，為達到外硬內韌的性能要求，原材料需經過鍛造→車削加工→934 ℃表層滲碳處理→870 ℃直接淬火→600 ℃高溫回火空冷→810 ℃二次淬火→155 ℃低溫回火處理→磨削等工藝進行加工，最后得到軸承滾子。滾子兩端為直徑不同的中孔，長為100 mm，大頭直徑為58 mm，小頭直徑為48 mm，內孔直徑為22 mm。在軸承上安裝運行大約50 min 后，軸承滾子發生縱向斷裂，即沿軸承滾子外表面向內貫通斷裂成兩塊。滾子內表面未發現機加工導致的不當缺陷。開裂滾子的宏觀形貌如圖1 所示，斷口大部分呈銀灰色，靠近內孔面附近處局部存在銀白色氫脆（俗稱“白點”）缺陷，未發現明顯的夾渣氣孔等缺陷（見圖2）。

圖1 斷裂軸承滾子斷口宏觀形貌

圖2 斷裂軸承滾子斷口高倍照片

1 試驗方法

通過線切割沿軸承滾子徑向截取金相樣，并以徑向截面作為金相制備面。首先將得到的樣品在機械預磨機上經粗砂紙到細砂紙磨光，再在拋光機上用金剛石拋光劑進行拋光處理。采用質量分數為3%和4%的硝酸酒精溶液對拋光好的試樣分別進行淺腐蝕和深腐蝕，然后采用萊卡MEF-4 金相顯微鏡對滲氮層金相組織進行觀察和網狀碳化物評定，以確定金相組織是否合格及網狀碳化物是否超標[1-2]。采用洛氏硬度計檢測磨拋光亮的金相試樣滲碳層和基體的硬度值，即由滾子外表面沿徑向向心部檢測硬度梯度，以確定其硬度是否達到標準要求[3-4]。采用紅外碳硫分析儀（CS-8800）和X 射線熒光光譜儀（XRF-1800）分析試樣的化學成分，確定其成分是否合格。在斷裂的滾子疑似氫脆（白點）附近處，采用線切割截取斷口試樣。在超聲清洗機上采用酒精震蕩清洗斷口試樣，然后用掃描電鏡（SUPARR-55）進行斷口分析。

2 試驗結果

2.1 金相分析

金相試樣經機械拋光后，采用質量分數為3%的硝酸酒精溶液淺腐蝕后，放在金相顯微鏡下放大500倍觀察滲碳層金相組織。結果表明：滲氮層金相組織為回火細小針狀馬氏體+點狀碳化物；依據JB/T 8881—2001《滾動軸承零件滲碳熱處理技術條件》要求，評為2 級，熱處理金相組織合格（見圖3）。采用質量分數為4%硝酸酒精溶液深腐蝕后，將金相試樣放在金相顯微鏡下放大500 倍進行滲碳層金相組織觀察，依據上述標準判定其碳化物分布是否合格。結果表明：網狀碳化物主要由點狀碳化物組成；網狀碳化物評定為1 級，網狀碳化物合格[5]（見圖4）。心部基體金相組織為回火低碳板條馬氏體，符合標準要求（見圖5）。

圖3 金相組織：回火細針馬氏體+點狀碳化物

圖4 滲碳層碳化物評級：網狀碳化物為1 級，合格

圖5 心部基體金相組織：回火低碳板條馬氏體

2.2 化學成分分析和硬度檢測

為確定材料的化學成分是否合格，采用碳硫分析儀和X 熒光光譜儀分析送檢試樣的化學成分，化學成分分析結果如表1 所示。分析結果表明：化學成分符合G20Cr2Ni4A 鋼的標準要求，且化學成分合格。

表1 G20Cr2Ni4A 鋼的化學成分

硬度梯度測試：在金相拋光面上，由外表面向心部每隔0.5 mm 測量一個硬度，共測12 個洛氏硬度值（HRC），硬度測試結果如表2 所示。結果表明：硬度符合JB/T 8881—2001《滾動軸承零件滲碳熱處理技術條件》標準要求，硬度值合格。表面硬度（HRC）為60.2（標準為58～63），心部硬度（HRC）為39.0（標準為32～48）。淬硬層深度為5.0 mm（標準硬度為50.0 處深度≥3.0 mm、標準硬度為58.0 處深度＞2.0 mm）。軸承滾動體硬度值合格，符合標準GB/T 3203—1982《滲碳軸承鋼技術條件》和JB/T 8881—2001《滾動軸承零件滲碳熱處理技術條件》的標準要求，滲碳層厚度≥3.5 mm，合格。

表2 G20Cr2Ni4A 鋼的硬度檢測結果

2.3 軸承滾子斷口的掃描電鏡分析

用掃描電鏡對開裂滾子的斷口試樣進行形貌觀察。結果表明：斷口呈一次性脆性開裂特征，存在解理平面，表面光滑并伴有氫脆發紋，局部存在“櫻穗狀”或“雞爪狀”微裂紋，呈現出氫脆斷口發紋特征，為典型的脆性斷口特征，是應力強度因子較小時（低碳鋼）典型的氫脆沿晶斷口形貌[6-7]，如圖6—圖9 所示。

圖6 氫脆斷口低倍形貌1

圖7 氫脆斷口低倍形貌2

圖8 氫脆性斷口高倍形貌1

圖9 氫脆斷口高倍形貌2

3 斷裂失效原因分析與討論

斷裂滾子金相組織、硬度梯度和化學成分均符合標準；滾子滲碳層腐蝕后，碳化物呈點狀分布，其網狀碳化物評級合格。由掃描電鏡對斷口形貌進行觀察分析可知，滾子斷裂類型為早期氫脆引起的快速開裂。由于滾子靠近外表面基體內部存在氫脆（白點）缺陷，當軸承運轉時，滾子受到擠壓，在外力和氫脆處內張力的共同作用下，引起其快速斷裂[8-9]。

在高溫+氫介質條件下，氫原子將會進入鋼的基體并滯留在基體內，且以原子狀態滲入晶格。服役過程中，常溫下氫原子會結合成氫分子，氫分子體積迅速膨脹產生很高的內張力，形成沿晶斷裂的微裂紋，滾子運轉過程中，在外力的作用下，微裂紋快速生長，從而發生早期快速開裂失效。

送檢滾子氫脆產生的原因有兩種：一是原材料在冶煉或軋制過程中，因環境濕度大或存在油污，在高溫情況下導致了氫原子進入基體引起氫脆；二是產品在滲碳過程中，在高溫+氫介質條件下，操作工藝不當造成氫原子進入基體引起氫脆[10]。