摘 要:采用宏观观察、化学成分分析、扫描电镜和能谱分析、金相检验、显微硬度测试等方法对 某GCr15钢轴套断裂原因进行分析。结果表明:轴套的断口呈脆性断裂特征,断口的起始位置存 在早期裂纹;磨削工艺不当使轴套端面产生磨削烧伤,并导致轴套表面硬度下降。
关键词:GCr15钢轴套;断口;磨削烧伤;早期裂纹
中图分类号:TG115.2;TB31 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2023)04-0046-03
GCr15钢是一种高碳铬轴承钢,具有合金含量 少、综合性能好、应用广泛等特点[1-3]。GCr15钢经过 热处理后,其表面硬度可以达到60~64HRC,具有硬 度高、表面均匀、耐磨性好、接触疲劳强度高等特 点[4],被广泛用于制造内燃机、电机车、机床、拖拉机, 以及矿山机械等设备的钢球、滚子和轴套[5]。在对 GCr15钢进行热处理[6]、机械加工(磨削)和表面处理 (氧化)的过程中,其产品容易出现不同程度的裂 纹[7],从而在后续的实际应用中出现早期失效。
某批次的GCr15钢轴套发生断裂,笔者采用宏 观观察、化学成分分析、金相检验、扫描电镜(SEM) 和能谱分析、显微硬度测试等方法对其断裂原因进 行分析,以防止该类问题再次发生。
1 理化检验
1.1 宏观观察
GCr15钢轴套的宏观形貌如图1所示,由图1 可知:该GCr15钢轴套外圈表面存在一条沿着轴套 轴向分布的裂纹,并贯穿整个轴套,断口比较平齐, 且没有明显的塑性变形,呈脆性断裂特征。断裂面 呈亮白色,裂纹起始端存在灰黑色的圆弧区域。
1.2 化学成分分析
在轴套上取样,并对试样进行化学成分分析,其 化学成分分析结果为:C元素的质量分数为1.01%, Si元素的质量分数为0.3%,Mn元素的质量分数为 0.34%,Cr元素的质量分数为1.49%。从分析结果 可以看出,轴套的材料符合GB/T18254—2016《高 碳铬轴承钢》的要求。
1.3 扫描电镜和能谱分析
对断口处进行扫描电镜和能谱分析,结果如图 2所示。由图2可知:断口源区呈白色颗粒状,并有 明显的二次裂纹,在晶界面上存在气孔或其他粒子 脱落留下的小孔,断裂扩展区域呈脆性断裂和韧性 断裂特征。
对图2a)中 A区域的裂纹起始位置进行能谱分 析,结果如图2d)和2e)所示。由图2d)可知,在裂 纹起始位置的断口表面上富集了O、Zn、Na、Fe、C等元素。由图2e)可知,裂纹起始位置存在明显的锌 层,厚度为24~65μm。测得的锌层厚度为表面正 常镀锌层厚度和锌渗入到早期裂纹断口表面厚度之 和。由于对轴套进行磨削加工后会镀锌,因此可以 判定,裂纹应该出现在镀锌表面处理工艺之前。
1.4 金相检验
在裂纹附近截取金相试样,用体积分数为4% 的硝酸乙醇溶液对试样进行腐蚀,将其放置在光学 显微镜下观察,结果如图3所示。由图3可知:心部 组织主要为回火马氏体和少量颗粒状碳化物,轴套 心部完全淬透。轴套表面分布着一层13~17μm 的镀锌层,从镀锌层的厚度可以判定,断面上的锌层 是渗入层,不是表面的镀锌层。
为了进一步分析轴套断裂原因,在断裂起始位 置制取试样(平行于裂纹表面),将其磨制抛光后,用 体积分数为4%的硝酸乙醇溶液进行腐蚀,并在光学显微镜下观察,结果如图4a)所示。从图4a)中可 以看出,A区域近表层存在发黑现象。
对未进行镀锌的一组零件进行检测,采用体积 分数为8%的硝酸乙醇溶液对其进行腐蚀,冲洗后 放入体积分数为10%的盐酸乙醇溶液中,冲洗后观 察轴套端面的状态[见图4b)]。由图4b)可知:B 区域为轴套端面位置,在该处有一段深黑色区域。 沿着轴向方向取样,磨制抛光后,用体积分数为4% 的硝酸乙醇溶液腐蚀,可见C区域近表层同样存在 发黑现象[见图4c)]。
1.5 显微硬度测试
利用 显 微 硬 度 计 测 试 轴 套 端 部 表 面 往 内 2mm处的维氏硬度,结果如图5所示。由图5可 知,没有经过磨削工艺的轴套表层的硬度为714~ 728HV;轴套心部硬度为720HV。对比3组试样 的硬度分布可知:断裂试样和未镀锌试样中黑色区 域(小于0.2mm深度)的硬度明显低于未经过磨削 加工试样(小于0.2mm 深度)的硬度,轴套的断裂 区域存在二次回火现象,造成了该区域存在软化区。
2 综合分析
轴套在安装之前就已经存在早期裂纹,因为从 断口的微区成分分析结果可以看出,在断裂的起始 面上存在24~65μm的锌渗入层,并且在扩展区的 起始位置也发现了少量的锌。根据轴套的加工工艺 过程可以判定,早期裂纹出现在镀锌工艺处理之前。
磨削烧伤使零件表面产生的缺陷主要分为:二 次淬火烧伤、回火烧伤[8]和裂纹[9]。在磨削加工过 程中,零件表面的温度超过了回火温度,但是没有超 过钢的奥氏体化温度,此时就会在零件的表面产生回火,即二次回火。烧伤的部位会形成软区,在表面 形成拉应力[10],在应力的作用下会发生塑性变形, 一旦应力超过材料的屈服点,会发生开裂现象。从 测试的结果可以看出,两组试样分别是裂纹试样和 未镀锌试样,在试样近表面都发现了材料硬度下降 的现象,所以轴套断裂的原因是磨削加工工艺不当。 调查发现:该批次的轴套高度磨削采用的是手动粗 磨,这会导致局部散热不良,从而大大影响工件的质 量,使轴套端面产生磨削烧伤。在镀锌工艺过程中, 有部分电解质溶液渗入到裂纹表面,使早期裂纹表 面富集了大量的锌元素,在后续轴套的安装过程中, 应力过大造成轴套的整体断裂。
3 结论
(1)轴套的断口呈脆性断裂特征,轴套断裂的 起源处存在早期裂纹。
(2)早期裂纹的产生原因是轴套端面产生磨削 烧伤,导致轴套表面烧伤区域硬度下降,在表面拉应 力的作用下,轴承断裂。
参考文献:
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