G20Cr2Ni4A钢渗碳圆柱滚子表面剥落原因

2013-12-11郑少华曹云忠

机械工程材料 2013年9期

郑少华，曹云忠，杨川，李勇

（西南交通大学材料科学与工程学院，成都610031）

0 引言

某厂生产的圆柱滚子轴承中的滚子采用渗碳处理，某批轴承在装配使用两星期后，发现圆柱滚子表面产生了早期剥落现象。该圆柱滚子材料为G20Cr2Ni4A钢，其加工工艺为锻轧→正火→高温回火→车削加工→渗碳（温度930～950 ℃，时间15～20h）→油淬→高温回火（先在600～620 ℃保温10h，然后在650℃保温12h）→二次淬火（油淬，淬火温度约为800℃，在油中冷却5～15min，至100～130℃时出油空冷）→低温回火（160 ℃×12h）→粗磨→附加回火（140℃回火6～8h）→精磨。

为了找出圆柱滚子早期剥落的原因，作者对其进行了失效分析，并提出了改进措施。

1 理化检验及结果

1.1 宏观形貌

由图1可见，圆柱滚子表面有平行分布的划痕贯穿整个剥落区，滚子表面工作部位出现了大面积的小针状和片状剥落区，此剥落区面积约占圆柱滚子工作面面积的50%左右，剥落区两侧同时伴有锈蚀及麻点出现。

图1 圆柱滚子的宏观剥落形貌Fig.1 Macro spalling image of cylindrical roller

1.2 化学成分

由于圆柱滚子表面进行了渗碳处理，所以采用线切割的方法从圆柱滚子表面切下圆弧状试样，并采用NGB4-DXS-10AC 型能谱仪（EDS）测定圆弧状试样平面处的化学成分，此平面距圆弧表面约0.21mm，如图2所示，箭头所示方向为X 射线的扫描方向。其化学成分（质量分数／%）为0.520C，0.307Si，0.479Mn，0.007P，1.489Cr，3.197Ni，0.039Cu，＜0.035S。

根据GB／T 18524-2002，并结合热处理规范可知，渗碳圆柱滚子材料中各元素含量均属正常，并无严重超标或者低于标准。通常，成品滚子表面碳的质量分数控制在0.8%～1.05%较为合适，碳含量过低将得不到要求的硬度和正常的组织，过高则又易形成粗大碳化物，并易在冷却时析出网状碳化物［1］。渗碳过程中，由表层到心部会形成由高到低变化的碳浓度梯度。进行成分测定的表面距试样外表面的距离为0.21mm，故而工件外表面的碳质量分数至少应在0.5%以上。其次，根据G20Cr2Ni4A钢滚子的加工路线可知，采用增大加工余量的办法，经磨削加工后，不仅可以消除因表层碳浓度过高而形成的粗大碳化物，而且也可以使表面碳含量达到成品的要求。因此，可以初步排除表面脱碳这个影响因素，故而认为表面剥落现象与脱碳没有太大关系。

1.3 残余奥氏体含量

利用线切割的方法取下载有剥落区域的片状试样，采用7602EA ALMELO 型X 射线衍射仪（XRD）分析残余奥氏体的含量，扫描方向如图2箭头所示，纵向为垂直于圆柱滚子轴线的方向，沿小平面中线向外圆扫描；碳化物体积分数按2%计算。由图3可知，较矮的峰对应残余奥氏体，经计算知残余奥氏体含量高达11.94%（体积分数，下同），由于是次表层（滚子外表面已被打磨掉），结合碳浓度梯度可知，最外层的残余奥氏体含量应该在11.94%以上。

图3 滚子表面的XRD谱Fig.3 XRD pattern of cylindrical roller surface

1.4 显微组织

在沿垂直滚子轴线的横截面方向的表层、次表层以及心部取样，并进行嵌镶后，采用OLYMPUS型数码图像光学显微镜观察显微组织，腐蚀液为体积分数为4%的硝酸酒精溶液。

结合图3和图4可知，二次淬火后，表面渗碳层的显微组织中含有较少的回火隐晶马氏体和大量残余奥氏体，在光学显微镜下可观察到表层晶粒呈亮白色，并发生了明显的塑性变形。此外，由于高温回火后会得到细小均匀的碳化物，加之二次淬火温度较低以及冷却速率较慢，从而导致经随后的油冷处理后，得到了细小均匀分布的粒状珠光体，同时从晶界上也析出了珠光体。

图4 圆柱滚子表层的显微组织Fig.4 Microstructure of cylindrical roller surface：（a）at low magnification and（b）at high magnification

由图5可见，次表层存在较少量的针状马氏体和较多的残余奥氏体，基体中较多的黑色组织为珠光体。可见，工件表层的确存在着大量残余奥氏体，从晶界处析出的较多珠光体可以断定，圆柱滚子表面剥落应与二次淬火后产生的珠光体有关。

图5 圆柱滚子次表层的显微组织Fig.5 Microstructure of cylindrical roller subsurface：（a）at low magnification and（b）at high magnification

图6 圆柱滚子心部的显微组织Fig.6 Microstructure of cylindrical roller core：（a）at low magnification and（b）at high magnification

从图6可以明显看到，由于滚子心部的碳含量较低，因此二次淬火后得到了板条马氏体，同时由于残余奥氏体总是与马氏体相伴而生，因此马氏体片之间还会存在少量残余奥氏体。故而心部的组织含有低碳回火马氏体和少量残余奥氏体。由于心部是低碳的，结合对图4的分析可知，油冷后晶界处的黑色组织也应该是珠光体，另外还应有少量先共析铁素体存在。圆柱滚子的这种组织特征使得其心部硬度不至于过低，并保持有一定的韧性。

1.5 显微硬度

沿垂直滚子轴线的横截面方向采用线切割的方法取样，并对其表层到心部进行显微硬度测定。由图7可见，渗碳层的厚度约为2.3mm，最外层硬度最低，次表层硬度最高。另外，硬度曲线出现了上下波动的现象，波动幅值在50HV0.1左右，这是由于测硬度时没有避过黑色组织而引起的。

图7 线切割试样的显微硬度曲线Fig.7 Microhardness curve of line cutting sample

2 表面剥落原因分析

宏观分析表明，圆柱滚子的剥落形式是表面出现了大量的剥落坑。根据剥落形貌与特征可以断定，圆柱滚子表面发生了接触疲劳破坏。接触疲劳的宏观典型特征是在接触面上出现了许多小针状或痘状凹坑，并有疲劳裂纹发展痕迹［2］。疲劳剥落可分为裂纹起源和裂纹扩展两个阶段。在循环交变接触应力作用下，首先在材料的薄弱部位（如大颗粒碳化物或夹杂物与基体的交界处）形成初生显微裂纹，即疲劳源，这是接触疲劳的疲劳源或裂纹生核阶段，进而微裂纹扩展使局部金属从接触表面剥离，从而形成剥落坑。

失效圆柱滚子表面的残余奥氏体含量近12%，由于残余奥氏体的强度低、塑性好，因此会降低滚子表面的硬度等力学性能，在正应力和切应力的作用下产生严重的塑性变形，从而使产生疲劳剥落的机会大大增加，如此多的残余奥氏体是引起圆柱滚子早期剥落失效的重要原因之一。钢中残余奥氏体含量的多少，对钢的性能有着重要的影响，当残余奥氏体含量大于10%时会显著降低齿轮和滚动轴承的寿命，对于工具钢，残余奥氏体含量最好控制在5%以下，否则会显著降低其寿命［3］。因此可以断定，次表层及最外层中存在着的大量残余奥氏体是圆柱滚子表面发生疲劳剥落的一个重要原因。根据G20Cr2Ni4A钢的化学成分推知，圆柱滚子表面的碳含量已超过了要求值，由于含碳量过高，Ms点降低，从而使得二次淬火后表层组织中的残余奥氏体增多。

其次，在次表层组织中发现了较多的珠光体沿晶界析出（见图5），珠光体本身的硬度远低于回火马氏体的，在承受交变载荷时，同样容易引起表层剥落。表层出现了较多的珠光体组织是引起表面剥落的又一重要原因。由于在二次淬火时采用了油冷，所以圆柱滚子表面出现珠光体可能有两个原因，一是由于淬火油长期使用，其冷却能力大幅降低，从而导致在淬火过程中珠光体沿界面析出；二是淬火转移时间（从工件出炉到进入油槽的时间）过长，导致珠光体析出；同时也有可能是由这两种因素综合作用引起的。