摘要：經表面先滲碳再淬火、回火處理后的G20Cr2Ni4A 鋼軸承滾子在試車約2h后斷裂。采用金相顯微鏡、維氏硬度計、掃描電鏡、X熒光光譜儀等檢測手段對該軸承滾子的開裂原因進行了分析。結果表明，該軸承滾子顯微組織、化學成分、硬度及滲碳層厚度等均合格；軸承裝配時，工作輥軸線與支承輥軸線不平行造成軋機在運行時軸向力過大，導致軸承滾子開裂失效。
關鍵詞：G20Cr2Ni4A 鋼；滲碳；軸承滾子；斷裂失效
某軋鋼廠使用的軋機支撐滾動軸承型號為3806/711.2-XRS/HCS/HCEP69，軸承滾子材質為G20Cr2Ni4A鋼，屬于優質低碳合金滲碳鋼。在軋機廠裝車空載運行2h后，滾體沿軸向發生斷裂，滾體表面有嚴重的擠壓變形和脫落現象。該滾子為內空心圓柱錐體，內支架圓孔直徑為 Φ14mm，滾體兩端直徑分別為 Φ48mm 和 Φ50mm ，呈柱狀錐體形態。失效開裂的滾體內孔表面出現深約 5mm 沿軸向的貫通長裂紋。該滾體的加工工藝為：鍛造→車削加工→934℃滲碳→870℃直接淬火→600℃高溫回火→空冷→810℃二次淬火→155℃低溫回火→磨削加工[1]。
1失效件宏觀形貌及理化檢驗方法
失效軸承宏觀形貌如圖1所示，可見損壞嚴重的是兩列滾子的其中一列，另一列滾子完好無損。送檢的開裂滾子表面存在較多的表皮脫落擠壓痕跡，內孔中有一條深約 5mm 的沿滾子軸向的貫通長裂紋(如圖2中箭頭所指位置) 。
在開裂滾子一端裂紋附近處，用線切割方法沿徑向切取金相試樣，取滾子橫截面為組織觀察面，試樣為長20mm的半圓柱型。金相試樣用酒精清洗并干燥， 經機械打磨和拋光后用4%硝酸酒精溶液腐蝕，用萊卡MEF-4金相顯微鏡觀察顯微組織和碳化物分布形態，以確定組織是否合格及網狀碳化物是否超標。采用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡觀察軸承滾子斷口形貌。應用碳硫分析儀和XＲF-1800型X熒光光譜儀分析試樣的化學成分，確定其成分是否合格。采用維氏硬度計測試斷裂滾子的硬度，加載載荷為100g，持續時間為15s，在經機械磨拋后的金相試樣上，沿徑向由外向里至中心測其硬度，以確定硬度是否達到標準要求[2-3]。
圖1 失效軸承宏觀照片
圖2 失效軸承滾子宏觀照片
2實驗結果與分析
2.1 組織分析
圖3為G20Cr2Ni4A鋼軸承滾子的顯微組織照片。由圖3(a)可知，該滾子滲碳層熱處理組織為：回火細小針狀馬氏體+粒狀碳化物，依據JB/T8881—2001《滾動軸承零件滲碳熱處理技術條件》要求，熱處理淬火組織合格，評定為2級；網狀碳化物合格，評定為1級。顯微組織中未發現有夾雜物和其它缺陷。由圖3(b)可知，未滲碳部分的淬火組織為板條狀馬氏體形態，符合G20Cr2Ni4A鋼淬火組織特征[4]，組織合格，且同樣未發現夾雜物和其它缺陷。
圖3 G20Cr2Ni4A 鋼滾子的顯微組織
(a) 滲碳層; (b) 未滲碳基體
Fig.3 Microstructure of the G20Cr2Ni4A steel roller
(a) carburizing layer; (b) the metal base without carburization
2.2 化學成分分析和硬度測試
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滾子試樣的化學成分，化學成分分析結果見表1。分析結果表明，化學成分符合G20Cr2Ni4A鋼標準GB/T3203—1982《滲碳軸承鋼技術條件》要求。
在金相拋光面上，沿滾子徑向由外向里從1mm處每隔0.5mm交叉測試維氏硬度值(HV0.1) ，結果表明: 滾子滲碳層厚度≥2.5mm，符合GB/T3203—1982《滲碳軸承鋼技術條件》和JB/T8881—2001《滾動軸承零件滲碳熱處理技術條件》標準要求，滾子滲碳層合格。硬度測試結果見表2。
2.3 軸承滾子斷口形貌分析
通過掃描電鏡對送檢開裂滾子的斷口進行觀察，結果見圖4。斷口呈典型的脆性開裂特征，為多源斷裂，起始于滲碳層脆性區域，源區上有發散皺褶線，可以觀察到有多條發散擴展臺階存在，屬于正常斷口形貌特征[5]。
圖4 G20Cr2Ni4A鋼滾子斷口形貌
(a) 斷口裂紋源低倍形貌;
(b) 斷口擴展區SEM 形貌
Fig.4 Fracture morphologies
of the G20Cr2Ni4A steel roller
(a) morphology of crack source at low magnification;
( b) SEM morphology of crack propagating zone
3討論與建議
根據上述分析可知，送檢滾子的顯微組織、化學成分、硬度及滲碳層厚度等均合格，結合失效軸承四列滾子中只有一列滾子損壞嚴重的情況分析，可以確定該列滾子在使用時受力較大。據文獻介紹，在機器組裝過程中當軸承安裝精度不高時，軸承就會受到較大的軸向力作用，運轉時過大的軸向力直接傳遞到滾道與滾子表面，滾子受擠壓時造成滾子內孔處有較大的拉應力，當應力集中超過材料的屈服極，便在此處萌生裂紋進而造成早期快速失效開裂[6-7]。本案例軸向力過大的原因有可能是裝配軸承時和軋機軸承安裝時，裝配和安裝精度不高，造成工作輥軸線與支承輥軸線不平行、軋機運行中軸向力過大導致軸承失效[8]。
建議在裝配軸承和軋機軸承安裝時，提高工作輥與支承輥、軸承間的安裝精度以減少軸承受力不均，消除軸向力以避免軸向力過大而導致軸承失效。
