機(jī)架輥是軋機(jī)中配合軋機(jī)進(jìn)行可逆軋制和運(yùn)送軋件的部件,布置在軋機(jī)的出口側(cè)和入口側(cè),其性能直接影響軋機(jī)的質(zhì)量。機(jī)架輥由本體、卡緊裝置和傳動(dòng)裝置組成。軸承為傳動(dòng)裝置的重要組成部分,影響其壽命的因素有材料、結(jié)構(gòu)、精度、安裝和密封、潤(rùn)滑與冷卻等[1]。制造軸承的材料要求具有接觸疲勞性能良好、耐磨性高、韌性好、尺寸穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)[2]。滾動(dòng)軸承由外圈、內(nèi)圈、滾子和保持架構(gòu)成,其使用、維護(hù)方便,起動(dòng)性能好,在中等運(yùn)行速率條件下的承載能力較高,其正常失效形式為疲勞剝落。 

某鋼廠寬厚板車間軋機(jī)機(jī)架輥軸承短期內(nèi)多次發(fā)生斷裂事故,將其軋機(jī)出口處第1根機(jī)架輥操作側(cè)軸承更換后,該軸承僅使用1個(gè)月就發(fā)生軸承外圈斷裂現(xiàn)象。斷裂軸承為某型號(hào)的雙列調(diào)心滾子軸承,正常情況下能承受軸向和徑向雙向載荷,具有調(diào)心功能,能夠?qū)S彎曲變形以及配合面的不對(duì)中進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)[3]。軸承外圈的一般制造工藝為：備料→鍛造→球化退火→機(jī)械加工→熱處理(淬火＋低溫回火)→磨削加工。軸承的更換影響了現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)節(jié)奏,造成了經(jīng)濟(jì)損失。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)軸承斷裂的原因進(jìn)行分析,以避免該類問(wèn)題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀形貌

斷裂軸承外圈試樣取自軋機(jī)機(jī)架出口處第1根機(jī)架輥操作側(cè)軸承,其完好時(shí)外徑為420 mm,有效厚度為12.5 mm。斷裂軸承外圈的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：軸承端面可見大塊材料剝落現(xiàn)象,未剝落位置的滾道邊緣出現(xiàn)多處尺寸較小的凹坑；主斷口呈L形路徑走向,斷口的直角轉(zhuǎn)彎位置存在向基體內(nèi)部延伸的二次裂紋；根據(jù)斷裂形成的發(fā)散條紋和臺(tái)階走向可判斷,軸承外圈首先在滾道邊緣處起裂,端面發(fā)生剝落的同時(shí),裂紋沿軸承軸向擴(kuò)展至中部,擴(kuò)展到一定位置后,又轉(zhuǎn)為周向擴(kuò)展；套圈滾道內(nèi)未見明顯小片金屬剝落及麻點(diǎn)等特征,也未觀察到明顯擦傷、滾子碾壓形成的變形痕跡,以及高溫氧化色[4]；白色圓圈處可見凹坑,該凹坑為焊接支架取出斷裂軸承時(shí)焊材燒損所致。 

圖  1  斷裂軸承外圈的宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

使用直讀光譜儀對(duì)斷裂軸承外圈試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：試樣的化學(xué)成分滿足GB/T 18254—2016 《高碳鉻軸承鋼》對(duì)GCr15SiMn鋼的要求。應(yīng)用氧氮?dú)渎?lián)測(cè)分析儀對(duì)試樣進(jìn)行氫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)試,結(jié)果為0.000 6%。 

1.3   力學(xué)性能測(cè)試

對(duì)斷裂軸承基體進(jìn)行硬度測(cè)試,其結(jié)果為58 HRC,符合JB/T 1255—2014 《滾動(dòng)軸承 高碳鉻軸承鋼零件 熱處理技術(shù)條件》的要求。在斷裂軸承外圈上取樣,對(duì)試樣進(jìn)行沖擊和拉伸試驗(yàn),結(jié)果如表2所示,可見斷裂軸承外圈沖擊吸收能量較低,平均值僅為4.00 J。 

1.4   金相檢驗(yàn)

在斷裂軸承外圈上截取試樣,對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：套圈基體主要組織為體心立方結(jié)構(gòu)的回火馬氏體,基體中還存在少量殘余奧氏體及少量滲碳體,這是該類型軸承的正常組織,其氫脆敏感性較高。 

圖  2  軸承外圈的顯微組織形貌

對(duì)斷裂軸承外圈滾道邊緣的小凹坑截面處進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：軸承外圈滾道邊緣可見裂紋和白亮層；對(duì)裂紋端部放大后觀察,裂紋呈沿晶形貌特征。在滾子的大載荷碾壓下,滾道邊緣產(chǎn)生應(yīng)力集中[5-6],且材料的脆性較大,最終導(dǎo)致材料產(chǎn)生裂紋。軸承外圈上的注油孔位于寬度方向的中間位置,因此滾道邊緣容易產(chǎn)生潤(rùn)滑不良問(wèn)題。白亮層的產(chǎn)生原因?yàn)?軸承滾子受到異常軸向力后,撞擊潤(rùn)滑不良的滾道邊緣在該處發(fā)生摩擦,產(chǎn)生巨大熱量,短時(shí)間內(nèi)超過(guò)奧氏體化溫度,隨后快速冷卻,形成形變馬氏體[7-8]。 

圖  3  斷裂軸承外圈滾道邊緣的小凹坑截面處微觀形貌

按照GB/T 10561—2023 《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》對(duì)斷裂軸承外圈縱截面試樣進(jìn)行非金屬夾雜物評(píng)級(jí),結(jié)果如表3所示。由表3可知：非金屬夾雜物為細(xì)系,未檢測(cè)到大尺寸非金屬夾雜物,試樣符合GB/T 18254—2016的要求。 

1.5   斷口分析

對(duì)圖1中斷裂軸承外圈位置1,4進(jìn)行斷口分析,位置1,4處斷口形態(tài)類似,其中位置1斷口銹蝕程度較輕,斷口特征更明顯,因此在位置1斷口處取樣,用除銹劑清洗試樣,位置1斷口的掃描電鏡(SEM)形貌如圖4所示。由圖4可知：根據(jù)斷口上發(fā)散條紋走向可初步判斷斷口由滾道邊緣起裂,然后向外壁擴(kuò)展；對(duì)斷口滾道邊緣位置放大后觀察,可見由滾道邊緣向外擴(kuò)展的發(fā)散條紋,進(jìn)一步說(shuō)明該斷口斷裂源在滾道邊緣處；斷裂源處呈以韌窩為主的準(zhǔn)解理特征形貌,還可見少量沿晶斷裂特征形貌,沿晶晶粒的尺寸約為4.5 μm,晶粒較細(xì)。 

圖  4  位置1斷口的SEM形貌

在圖1中斷裂軸承外圈位置2,3處斷口取樣,對(duì)試樣進(jìn)行掃描電鏡分析,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：位置2處斷口呈沿晶與韌窩混合特征形貌,沿晶晶粒尺寸約為6 μm,斷口上可見彌散分布的碳化物顆粒；位置3處斷口主要呈沿晶斷裂特征形貌,可觀察到明顯的二次裂紋,沿晶晶粒尺寸約為10 μm,斷口上也可見彌散分布的碳化物顆粒。 

圖  5  位置2,3斷口的SEM形貌

利用掃描電鏡對(duì)軸承外圈拉伸試驗(yàn)后的試樣斷口進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：斷口上可見由邊部起源的發(fā)散條紋,斷裂源處呈明顯沿晶斷口特征形貌,晶粒尺寸約為8 μm。 

圖  6  拉伸試驗(yàn)后軸承外圈試樣斷口SEM形貌

2.   綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：斷裂軸承外圈材料為GCr15SiMn鋼,其化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；斷裂軸承外圈基體硬度為58 HRC,符合該鋼種低溫(150～250 ℃)回火后,回火馬氏體組織的硬度要求(58～64 HRC),軸承外圈基體硬度正常；軸承外圈試樣的平均沖擊吸收能量只有4.00 J,且在拉伸試樣斷口斷裂源處觀察到沿晶斷裂特征,說(shuō)明軸承外圈材料的韌性、塑性較差[9], 脆性很大,拉伸時(shí)試樣發(fā)生了脆性斷裂。 

斷裂軸承外圈滾道邊緣斷口主要呈準(zhǔn)解理特征形貌,并有少量沿晶特征,裂紋沿軸向滾道向內(nèi)擴(kuò)展,且沿晶斷裂特征越來(lái)越明顯,晶粒尺寸較小,說(shuō)明軸承外圈沿晶斷口不是淬火加熱溫度高而形成沿晶裂紋擴(kuò)展所致。沿晶斷口上未觀察到晶間沉淀相聚集和晶間腐蝕產(chǎn)物,也未發(fā)現(xiàn)蠕變特征形貌,因此也排除了這些因素引起沿晶斷裂的可能。軸承外圈的顯微組織為回火馬氏體,說(shuō)明回火溫度較低,不處于回火脆性溫度區(qū),因此排除了回火脆性導(dǎo)致沿晶裂紋的可能。一般鋼中氫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.000 5%時(shí)就會(huì)產(chǎn)生氫脆裂紋,而超高強(qiáng)度鋼的臨界氫元素含量更低[10]。該斷裂軸承外圈試樣的氫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.000 6%,且其顯微組織為回火馬氏體,具有很高的氫脆敏感性,因此判斷該軸承外圈沿晶脆斷的原因?yàn)槠洳牧系臍湓睾枯^高,使軸承外圈發(fā)生氫致開裂[11]。滾道內(nèi)部的厚度較薄、強(qiáng)度較低,且距離注油槽區(qū)域最近,裂紋沿材料的薄弱處擴(kuò)展,最終導(dǎo)致軸承斷裂。 

在軸承外圈滾道邊緣截面處可同時(shí)觀察到基體內(nèi)部的沿晶裂紋和滾道表面的形變馬氏體,但該沿晶裂紋并未與形變馬氏體相連,判斷軸承外圈滾道邊緣受到異常軸向力,產(chǎn)生了應(yīng)力集中,且軸承材料的脆性較大,產(chǎn)生了沿晶裂紋,裂紋擴(kuò)展后形成了斷裂源。 

對(duì)固定斷裂軸承的軸承座進(jìn)行檢查,在軸承座上觀察到明顯磨損痕跡,說(shuō)明軸承座經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期服役后發(fā)生了變形,導(dǎo)致軸承偏載。在對(duì)軸承座進(jìn)行更換后,盡管軋材的扣頭甩尾現(xiàn)象仍然存在,但可以延長(zhǎng)軸承的使用壽命。因此,軸承座變形是導(dǎo)致軸承外圈受到異常軸向力的主要原因。軸承長(zhǎng)期在扣頭甩尾現(xiàn)象較為嚴(yán)重的情況下服役,軸承的安裝工藝不當(dāng),軸承斷裂后未及時(shí)取出等均可能對(duì)軸承座造成磨損,造成軸承座變形。 

3.   結(jié)論

軸承外圈斷裂的主要原因?yàn)椋狠S承座變形使機(jī)架輥軸承偏載并產(chǎn)生異常軸向力,使得軸承滾子與外圈滾道邊緣發(fā)生大載荷碾壓現(xiàn)象,在該處產(chǎn)生應(yīng)力集中,且軸承材料脆性較大,使軸承外圈滾道邊緣產(chǎn)生裂紋,裂紋向滾道內(nèi)部擴(kuò)展,最終導(dǎo)致軸承斷裂。

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