GCr15水泵轴连轴承心轴断裂原因分析

牛玉周，刘斌，郭长建

(人本集团有限公司 技术中心，上海 201411)

水泵轴连轴承单元作为汽车部件的重要组成部分，其工作温度一般低于120 ℃，采用一次性填脂润滑，所受载荷为皮带张力及来自叶轮的不平衡载荷，工作条件较恶劣。随着汽车发动机大功率化的发展，对汽车水泵轴连轴承单元的耐热性能、承载能力及密封性能提出更高要求的同时，水泵轴连轴承的安装空间及散热空间越来越小，轴承的工作条件更加恶劣。水泵轴连轴承的主要失效形式包括心轴断裂，心轴沟道、外圈沟道、钢球的磨损和疲劳失效，密封失效等。

某型号水泵轴连轴承心轴材质为GCr15钢，其制造工艺流程为：线材下料→球化退火→车加工→淬火→低温回火→磨加工。该心轴的淬火工艺为：830 ℃整体淬火加热→90 ℃油淬→160 ℃回火。采用的热处理设备是可控气氛网带炉，保护气氛为甲醇+丙烷。该批次产品在使用过程中某一心轴出现早期断裂失效，该批次其余产品使用状况良好，为了查找原因，分别采用宏观观察、金相组织分析、硬度检测及断口SEM分析等手段对心轴进行了分析，并提出了改进措施。

1 理化检验

1.1 宏观形貌观察

心轴断裂的外观形貌如图1所示。心轴断裂位置位于心轴一侧沟道沟底附近，整个断面呈正断型，表现为脆性断裂。

图1 心轴断裂形貌

1.2 断口的扫描电镜分析

将断口用丙酮超声波清洗后，置于JEOL扫描电镜下观察。心轴断口微观形貌如图2所示。从图2a可明显看到疲劳贝纹线，为疲劳断裂，疲劳源位于沟道底部，如箭头所示位置，但未发现有明显的塑性变形区域；图2b显示在断口附近发现沟道划伤缺陷；由图2c箭头指示位置可知，沟道底部有冲击凹痕；图2d显示出心部断口为准解理断口，为GCr15的正常断口。断裂源位置未发现有非金属夹杂物等异常缺陷。

图2 心轴断口的微观形貌

1.3 化学成分分析

用火花直读光谱仪对心轴材料成分进行检测，结果见表1。由表1可知，符合GB/T 18254—2002《高碳铬轴承钢》中GCr15的技术要求。

表1 心轴材料化学成分(质量分数) %

1.4 非金属夹杂物

将断裂样品沿轴向切开，并经镶嵌、抛光制成金相试样，在光学显微镜下进行夹杂物评级，结果见表2，材料非金属夹杂物符合GB/T 18254—2002《高碳铬轴承钢》技术要求。

表2 非金属夹杂物检测结果

1.5 淬、回火组织

在断口附近切下样块并制成金相试样，用4%硝酸酒精浸蚀，在金相显微镜下放大500倍观察断口附近组织及心部正常组织，检测方法及标准参照JB/T 1255—2001《高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理技术条件》。心轴组织如图3所示，断口附近及心部正常组织均为隐晶马氏体+残余碳化物及极少量残余奥氏体的复相组织，为3级组织，符合标准规定的要求。

图3 心轴显微组织

1.6 硬度检测

采用显微硬度计对上述金相试样的断口附近及心部进行硬度测试，测试条件为：载荷9.8 N，保载时间10 s。结果如下：断口附近硬度为60.5～60.9 HRC，心部硬度为60.3～60.8 HRC，均符合JB/T 1255—2001标准要求(60～65 HRC)。

1.7 原材料碳化物分布

将试样用4%硝酸酒精深浸蚀后，在金相显微镜下观察材料中碳化物的分布，结果见表3，符合GB/T 18254—2002和JB/T 1255—2001标准的规定。

表3 碳化物分布检测结果

2 断裂原因分析

断口附近金相组织与心部组织一致，均为GCr15正常淬、回火组织。表面硬度为60.5～60.9 HRC，也验证了组织无异常的结论。根据金相和硬度的检验结果，可以认为热处理质量合格，其不是造成心轴早期断裂的主要原因。

由断口的扫描电镜分析结果可知，心轴沟道表面存在明显的划伤及凹痕缺陷。这与文献[1]所描述的断口起源于表面缺陷，疲劳裂纹萌生于材料表面的伤痕，裂纹起始位置沿着伤痕分布基本一致[2]。在使用过程中，在零件表面的条痕和划痕处会产生应力集中。特别是在受到冲击载荷和交变载荷时，零件很快就发生破坏[3]。

由以上分析可以确定，轴承心轴沟道表面存在的机械凹痕缺陷是导致心轴在承受正常的弯曲循环载荷时发生疲劳断裂的主要原因。

3 改进措施

轴承心轴沟道表面的机械凹痕缺陷导致了应力集中，形成显微裂纹，在使用过程中发生了疲劳断裂。

根据该分析结果，提出以下改进措施：

(1)加强心轴生产过程控制，避免生产过程中心轴表面出现缺陷；

(2)改进心轴的工作环境或密封条件，避免心轴使用中表面缺陷的形成；

(3)采用中频感应淬火，增加心部韧性，增大裂纹扩展阻力，以有效延缓裂纹扩展。