轴承套圈的裂纹和断裂失效特征原因-轴承套圈锻造过程常见缺陷

轴承套圈的裂纹和断裂失效特征及原因

无论是轴承在进行加工生产中，还是使用工作当中，轴承套圈裂纹和断裂是常见的一种损伤的现象，分享有关轴承套圈的裂纹和断裂失效特征以及相应的失效原因所在。

1、此轴承套圈结构

轴承套圈比普通套圈多二条密封槽，此结构特点决定它比普通套圈更容易引起应力集中。

2、轴承套圈裂纹形貌和断口特征

2.1裂纹形貌分析

1)淬火裂纹)：裂纹细长，弯曲不规则地分布在套圈外表面，裂纹起始端在密封槽(应力最集中的位置)。从裂纹的周边和末端形貌上可看到裂纹深0.2mm，平直无分枝，周边无氧化脱碳区，裂丝尖锐利。原因是裂纹在淬火快速冷却过程中形成，随后套圈不再经过长时间高温加热，因此裂纹周围无氧化脱碳区。

2)锻造水裂裂纹)：裂纹起始于端面倒角处，沿轴向延伸。普通锻造裂纹是锻加工后沿晶界出现的表面龟裂状开裂，而锻造水裂裂纹是锻造成形的高温套圈掉入地面积水中，套圈部分区域在积水中被淬火所造成。再从裂纹周边和末端形貌上可看到，裂纹深0.5mm，平直无分枝，周边有氧化脱碳区，裂尖圆钝。原因是轴承套圈在锻造后再退火，在退火过程中裂纹经过长时间高温加热，使裂纹周边产生氧化、脱碳。

3)车削裂纹：裂纹短而直，沿套圈圆周方向(即车刀运动方向)断断续续地平行分布，再从裂纹的周边和末端形貌来看，裂纹深0.1mm，无分枝和氧化脱碳区、裂尖锐利。原因是车削裂纹也在淬火过程中形成，以后不再经历长时间高温加热，所以裂纹周围无氧化脱碳区。

4)磨削裂纹：裂纹呈网状分布，其形貌与热处理表面龟裂相似但有区别，磨削裂纹套圈的表面有时伴随出现带状回火区域，热处理表面龟裂的原因是表面脱碳，而冷酸洗时未发现表面脱碳，因此表面网状裂纹是磨削裂纹。再从裂纹周边和末端形貌来看，裂纹深0.08mm，无分枝和氧化脱碳区，裂丝尖锐利。原因是磨削裂纹形成后也不再经历长时间高温加热，因此裂纹周围无氧化脱碳区。

2.2断口特征分析

1)淬火裂纹断口：由灰色粗结晶状断口区组成，根据JB1255—91标准评定为过热断口

2)锻造水裂断口：断口由浅灰色细瓷状脆性断口区组成，按有关标准评为正常断口，但在滚道一侧有宽2mm、长16mm的黑色断口区，而在黑色断口区与浅灰色断口区交界处有多条极细的放射线，这表明黑色断口区为裂纹源。

3)车削裂纹断口：断口平直，由灰色细瓷状脆性断口区组成，按标准评为正常断口。此外在断口上还可看到短的径向裂纹与套圈内表面粗车刀痕相连，这表明裂纹是在粗车刀痕根部起裂并朝径向扩展而形成，在外力作用下它进一步加深。

4)磨削裂纹断口：断口由浅灰色细瓷状脆性断口区组成，按标准可评为正常断口，此外在断口上也有放射线，但无黑色断口区。

3、裂纹形成原因及预防措施

1）淬火裂纹的形成原因是由于在振底式氮气保护炉内部分套圈被粘住，而未能按节拍振出高温加热区，导致淬火加热温度过高，加热时间过长，使奥氏体晶粒变粗，碳化物溶解过多，在淬火过程中形成粗大马氏体，伴随产生很大的组织应力和热应力，当套圈应力集中处(密封槽)的应力超过原子间结合力则产生微裂纹，随后微裂纹进一步扩展形成淬火裂纹。预防措施是清理振底式氮气保护炉炉膛粘状物，防止套圈加热时被粘住。

2）锻造水裂裂纹的形成原因是锻加工时操作人员不慎将刚锻造成形的高温套圈掉入机床附近的地面积水中，预防措施是排除地面积水或防止套圈掉入积水。

3）车削裂纹的形成原因是淬火冷却时在粗车刀痕处产生应力集中，使刀痕根部开裂产生微裂纹并径向扩展。预防措施是使操作人员正确地执行操作工艺，避免产生粗车刀痕。

4）磨削裂纹的形成原因是磨削过程中采用钝磨轮和大进给量高速磨削，使套圈表面温度达820～840℃，套圈表面部分区域被重新奥氏体化，这部分奥氏体在冷却液作用下再次被淬火成马氏体(二次马氏体)，由此产生很大的热应力和组织应力，结果在套圈表面形成网状磨削裂纹。预防措施是及时修整磨轮，避免采用大进给量高速磨削，减少磨削热。

4、轴承套圈不同类型的裂纹的特点总结：

1）淬火裂纹：裂纹呈不规则线条状，起始于应力集中区(如棱角、凹槽、夹杂物等部位)，裂纹周边无氧化脱碳区，裂杆尖锐利，过热断口。

2）锻造水裂裂纹：裂纹较深，起始于水浸部位，裂纹周边有氧化脱碳区，裂尖圆钝，正常断口。

3）车削裂纹：裂纹较浅，呈直线状，起始于粗车刀痕根部，裂纹断断续续地沿车刀运动方向平行分布，裂纹周边无氧化脱碳区，裂杆尖锐利，正常断口。

1. 磨削裂纹：裂纹较浅呈网状，磨削表面常伴随出现带状回火区，裂纹周边无氧化脱碳区，裂丝尖锐利，正常断口。

轴承套圈锻造过程常见的几种缺陷

轴承套圈在锻造过程中，由于轴承钢材材料缺陷，锻造加工工艺，加工设备及人为因素等导致的套圈裂纹、过烧、凹陷、锻造折叠及湿裂等缺陷，这些缺陷既可造成轴承损坏，又会给轴承寿命造成影响，导致轴承早期破损。下面分享有关轴承套圈锻造过程中常见的几种缺陷，希望能帮助大家做好提前的预防。

1、原材料缺陷引起的轴承锻件裂纹

(1)轴承锻件外径贯穿性裂纹，造成裂纹原因是轴承钢棒料表面有一条较为明显的轧制裂纹。在锻造中，含有表面裂纹的轴承钢棒料经压制后，裂纹进一步扩展。

(2)轴承锻件心部裂纹，锻件套料后，内圈锻件心部有较为明显裂纹。裂纹长度30mm，约占套圈直径长度3/4，宽度最大部分5mm，深度10mm左右。产生这种缺陷的主要原因是因为轴承钢棒料心部有裂纹，轴承钢棒料切割试样热酸洗后心部位置有长度10mm、宽度1mm的深度裂纹，且裂纹是穿透性的。此种带有裂纹材料投产后，裂纹材料经锻造后进一步扩展成。

(3)采取措施轴承钢原材料进厂后，按轴承钢进厂检验标准严格检验，确保合格轴承钢投入生产使用。

2、锻件过烧

轴承套圈锻件经车削后表面分布细小孔洞。金相显微组织品界已氧化过烧。产生这种缺陷的主要原因是轴承套圈在锻造时如果加热温度超过工艺规定上限，在此温度保温时间又很长，导致材料过热，严重时会过烧，致使金属晶界被氧化开裂，形成尖角状洞穴。锻造过烧套圈表面形态如橘子皮，上面分布有细小裂缝和很厚氧化皮。由于锻造后套圈表面有氧化皮覆盖，一般不易发现，在车磨加工后才能充分暴露出过烧特征。

采取措施：轴承钢加热装置配备三路分选机构，能自动分选欠热、过热产品。通过三路分选装置分选出欠热（不足1050℃)工件，可通过重新加热至允许始锻温度后正常进行锻造加工；过热过烧（温度超过1150℃)工件，不能通过重新加热并投入使用，应放置在专用有盖红色箱内进行隔离，并在换班前清理报废，确保加热温度在要求范围。

3、锻造折叠

套圈锻件在扩孔辗压时产生平面凹心过深，超过车磨留量，则到成品时平面上留有长条圆弧状裂纹，这种缺陷称为锻造折叠。产生原因在套圈在锻造过程中可由两股(或多股）金属对流汇合而形成；也可以是由一股金属急速大量流动将邻近部分表层金属带着流动，两者汇合而形成；也可由变形金属发生弯曲、回流而形成；还可以是部分金属局部变形，被压入另一部分金属内而形成。折叠与原材料和坯料形状、模具设计、成型工序安排、润滑情况及锻造实际操作等有关。

4、锻造凹陷

轴承套圈锻件内径部位出现凹陷，产生原因套圈在锻造扩孔工序中模具表面因磨损产生毛刺，导致与模具接触套圈内径经扩孔后产生凹槽。该缺陷经车削后有个别凹陷较深没有完全消除。

采取措施：严格控制模具寿命，规定使用寿命及时更拱怏具，防止模具磨损后造成缺陷。

5、锻造湿裂

轴承套圈外径、端面、倒角有明显的直线状、斜线、树枝状裂纹。裂纹周围有明显脱碳且裂纹尾部较秃，称为锻造湿裂。其原因是套圈锻造扩孔完成后，个别套圈还有一定温度时碰到了地面上的水，导致湿裂。

采取措施：每天工作前，清理扩孔设备处冷却水排水沟，确保地面无积水。杜绝扩孔后套圈跌落在水中造成套圈湿裂纹。

(运转世界大国龙腾 龙出东方 腾达天下 龙腾三类调心滚子轴承 刘兴邦CA CC E MB MA)

主轴箱轴承外圈裂纹现象

某型铁路货车轴箱轴承在检修作业时发现，轴承外网存在可见裂纹。对损伤轴承外圈进行宏观观察，确定轴承伤损所在位置，将外圈裂损处的裂纹打开，观察断口形貌并判断裂纹源位置。

1、轴承损坏宏观形貌

轴承外外表面和滚道面损伤宏观形貌。

轴承外圈整体上存在一处贯通外表面和滚道面的纵向裂纹。(a)中，外表面的裂纹长度约为35mm．同时裂纹处还伴有柳叶状印痕形貌。（b）可以看出，与周同区域相比，裂纹及印痕所在区域存在明显下凹。外圈滚道面的裂纹位于牙口处，裂纹长度约l5mm。此外。裂纹所对应的滚道还可观察到约一粒轴承滚子宽度的亮区，该区域靠近牙口处存在轻微的剥离损伤．剥离的尺寸约为5mm(周向)×10mm。轴承外圈其余位置未见损伤：

2、轴承断口分析

1）轴承断口宏观形貌

将外圈裂纹打开，观察其断口整体形貌，断口整体形貌可以看出，断口可以分为A部分和B部分。其中，A部分为开裂纹时产生的人为断口，该断口区域新鲜，存在明显的放射状棱线，呈现快速撕裂特征。B部分为裂纹自身断口，该断口区域存在自外表面向滚道方向扩展的贝纹状疲劳弧线，疲劳弧线所汇集的“圆心”为裂纹源所在位置。而断柳状印痕相叠加处。

2）断口微观形貌

采用FEI-Quanta400扫描电镜观察外圈裂纹源。

轴承外圈裂纹源所在区域可观察到冲击坑，有明显的塑性变形形貌，呈现典型的磕碰伤特征。

采用LeicaDMI500M光学显微镜观察外圈裂纹源区。

裂纹源区金相组织中可观察到明显的塑性变形存在，这与扫描电镜的观察结果呼应。塑变层的存在应与磕碰有关。同时塑变层中还观察到与塑性流变方向一致的微裂纹，当外圈材料发生塑性变形时，塑性变形累积超过材料的塑变极限后，即会萌生裂纹。

3、综合分析

(1)该轴承外圈的化学成分、硬度、淬硬层深度、非金属夹杂物及未损伤区域的金相组织均符合相关标准要求。由此表明，轴承外圈的材料和热处理不存在质量问题。

(2）轴承外圈的失效表现为裂损和滚道损伤。将轴承外圈裂损处打开后，断口中观察到明显的疲劳扩展弧线，裂损呈现疲劳断裂性质。由损伤和疲劳扩展的程度判断，外圈滚道的亮区及该区域中存在的轻微剥离均应是在外圈裂损之后发生，属于次生缺陷。由裂损断口中疲劳弧线的走向判断出裂纹源位置,裂纹源对应外圈外表面印痕所在处，印痕处宏观、微观形貌与磕碰伤的特征相符，因此轴承外表面的磕碰是导致轴承失效的主要原因。磕碰使得轴承外表面局部微区受损,形成缺口。金属材料缺口试样的塑性变形主要集中在缺口根部区域，且塑变区会随着载荷的增大而不断扩大，当塑性变形累积超过材料的塑变极限后开始萌生疲劳裂纹。轴承运行过程中，疲劳裂纹在运载荷的作用下不断扩展，最终发展为贯通的宏观裂纹。

(3）此外，轴承外圈材料的缺口所产生的“缺口效应”会改变缺口区域的受力状态，引发该区域应力重新分布,缺口效应首先是引起材料局部微区应力集中的产生，从而加速材料的变脆倾向。在轴承实际运行过程中,其服役状态属于高周疲劳,大多数金属材料在高周疲劳时对缺口十分敏感，导致材料在缺口处极易萌生疲劳裂纹。疲劳裂纹在持续的滚动接触载荷作用下逐步扩展，最终发展为宏观裂纹。

4、建议

磕碰使得轴承外表面局部微区受损,在轴承运用载荷的作用下，磕碰部位萌生的疲劳裂纹发展为宏观裂纹。磕碰伤属于轴承外伤，非轴承自身材质和制造质量问题。为避免或减少因磕碰伤导致轴承损伤失效的发生，建议加强轴承及轮轴在组装、检修和运输过程中的防护，具体措施如下。

(1)提高工人工作素质，轴承搬运过程中应轻拿轻放。

(2)加强对工人的考核力度,如轴承出现类似磕碰问题，要对其进行相应处理。

(3）在轴承移动过程中注意不要有堆垛现象。

(4）可配置专门的运输小车和防护工装等,特别是在检修现场转运过程中应避免轮轴相互间的碰撞。