某深沟球轴承外圈开裂原因分析

吴志平

（哈尔滨哈轴精密轴承制造有限公司，黑龙江 哈尔滨150036）

某深沟球轴承外圈开裂原因分析

吴志平

（哈尔滨哈轴精密轴承制造有限公司，黑龙江 哈尔滨150036）

在轴承套圈热处理时，炉内碳势的高低，会造成套圈表面脱、增碳现象。通过对627ZZ失效轴承进行检验分析后发现，热处理时碳势过高，引起表面增碳，导致开裂。

断裂；增碳；碳势；热处理

1 前言

为了改变金属的各种机械、物理、化学性能及金属的冷、热加工性能，常对金属进行热处理，即把金属加热到一定的温度，在该温度停留一段时间，然后在某种冷却介质中以一定的冷却速度冷却下来。不同的温度状况、不同冷却速度、不同含碳量，金属的金相组织是不同的。

轴承零件在一般空气炉中加热，会发生氧化和脱碳。加热时的氧化不仅造成材料的损耗，而且影响零件的表面质量。轴承零件表面发生氧化作用后导致零件表面碳的质量分数减少造成表面脱碳。脱碳使轴承的耐磨性、强度，尤其是疲劳强度显著降低，缩短了轴承的使用寿命。

在轴承热处理中应用可控气氛，可实现无氧化，有效地防止轴承零件在加热过程中的氧化现象；避免或减少脱碳，使热处理后金属表面脱碳层很薄，从而减少了磨削余量；还能提高硬度和硬度均匀性；对轴承零件在热处理中的变形和开裂倾向也有所改善。因此对可控气氛碳势的测量与控制非常重要。

碳势是气氛的热力学特性，它表示气氛的一种平衡能力，即在热处理加热温度下，气氛的气相中提供的活性炭原子与钢表面奥氏体中的含碳量相平衡的能力。轴承钢属过共析钢，淬火加热时进行的是部分奥氏体化，即淬火加热完成后组织状态是奥氏体+碳化物。这样，奥氏体中碳含量约为0.4～0.6之间(资料介绍0.55为最佳)，所以轴承零件碳势控制值在0.6%～0.8%是比较合理的。碳势过低或过高会在轴承零件表面产生脱增碳反应。当炉内碳势过高时，零件发生表面增碳，会引起轴承零件淬火后表面出现微裂纹，降低轴承耐冲击能力。

2 627ZZ轴承断裂分析

某客户使用627ZZ轴承，发生了外圈断裂现象，因此对返回的轴承进行了详细的失效分析。

2.1 宏观分析

失效轴承627ZZ的断裂位置宏观形貌如图1所示，轴承外圈发生断裂，断面基本垂直于表面，如图1中箭头所指。断面起始于图中滚道右侧的外内径下表面，向外表面并向左侧快速扩展至断裂。断口没有明显的塑性变形，呈脆性的断裂特征，如图2所示。

图1 断裂轴承形貌（箭头所示为断裂位置）

图2 外圈断口裂纹源

2.2 金相组织分析及维氏硬度测试

在627ZZ轴承外圈断口下方平行和垂直于断面制备剖面金相试样，通过对剖面金相试样检验分析，检验结果为金相组织形态如图3、图4所示。外圈外内径表面有与基体分离的宽约2μm的薄皮，并且还看到较多的细微裂纹，长度约5μm，侧棱的过渡弧面有穿晶和沿晶的小裂纹，向基体延伸的深度约为30μm。将试样用4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀后，外圈两侧的外内径表面的分离薄皮呈白亮色，薄层下面的表面组织颜色偏暗，外圈外内径表面及未加工部位有增碳现象，如图4所示。外圈心部淬火组织正常，淬火组织为3级，如图3所示。在金相剖面试样上分别在部位1和部位2（如图5 所示）上测试显微维氏硬度，硬度测试结果如表1所示。起裂源附近的表面硬度略高于基体硬度。

图3 外圈心部淬火组织，4%硝酸酒精腐蚀，500×

图4 外内径表面增碳组织，4%硝酸酒精腐，500×

图5 外内径横纵截面镶嵌图

2.3 断口SEM分析

清洗断裂口后，在SEM 下观察断口微观形态，如图2 所示，裂纹扩展方向见图2中的箭头指向。表面起源区存在长约600μm、深约50μm的规则的条状缺陷，缺陷边界清晰，与断口的交界处呈台阶状。缺陷附近断口以沿晶开裂为主，远离缺陷的扩展区呈沿晶+韧窝的混合断裂形态。缺陷表面呈颗粒状的高温氧化形态，EDX 半定量成分分析表面成分，含有Fe、O、Si、Mn等元素。外圈两侧的外内径表面呈现颗粒状的高温氧化形态，这些形态与缺陷表面类似。附近的侧棱上存在与主断口垂直的环向微裂纹，如图6所示。通过对断口及表面的分析表明，外圈从外内径表面的缺陷处起裂，在外力作用下扩展至断裂。

3 结论

通过对627ZZ失效轴承的检验分析，明显得出，该轴承外圈淬火组织及硬度符合JB1255标准的要求。

（1）该轴承外圈外内径及倒角等非加工部位有增碳现象，系热处理过程中碳势过高所致。

表1 硬度测试结果

图6 外内径表面增碳引起的微裂纹

（2）该轴承外圈断口起裂于外圈外内径表面的条状规则缺陷，起裂源区附近内表面同时存在脱离基体的薄皮，以及一些微裂纹，部分裂纹延伸至基体约30 μm。这些微裂纹呈环向扩展，扩展方向与主断口垂直。由于627ZZ轴承外圈热处理过程中碳势过高，引起轴承外圈外内径表面增碳，引起微裂纹，从而发生外圈断裂现象。

4 结束语

轴承套圈在热处理过程中，热处理炉内的保护气氛是多种气体的混合物，有氧化性气体、中性气体、还原性气体和渗碳性气体等。在高温下加热时其化学反应很复杂，不论是脱碳反应，还是增碳反应，除自由氧原子的参与外，都能在一定条件下达到平衡，甚至进行可逆反应。炉内碳势的高低，对渗碳层厚度、含碳量以及碳浓度梯度有很大的影响。一般来说，炉内碳势越高，碳浓度梯度越陡，形成粗大和网状碳化物的倾向越大。为了避免碳势过高，引起轴承套圈表面增碳现象，热处理时不能急剧加热，需采用适当的加热温度，使钢的晶粒不长大为好。正确选择和设计加热介质、加热速度、加热温度和保温时间等加热参数；严格控制炉温均匀性，不能波动过大。通过控制炉内碳势来严格控制轴承套圈的碳浓度及浓度梯度,从而保证套圈的热处理质量和使用寿命。

（编辑：王立新）

图21 轴承安装部位简图

建议从轴承安装配合结构及电机装配过程进一步查找故障轴承产生附加轴向力的原因。

7 结论与建议

综合上述分析，形成如下分析结论与建议。

（1）故障轴承失效形式为高温磨损失效；

（2）轴承失效的原因是在工作过程中承受了较大的附加轴向力；

（3）建议从轴承安装配合结构及电机装配过程进一步查找故障轴承产生附加轴向力的原因。

（编辑：王立新）

Analysis of reason for cracks on deep groove ball bearing outer ring

Wu Zhiping

(Harbin Hazhou Precision Bearing Manufacturing Co.,Ltd.,Harbin 150036,China)

In the bearing ring heat treatment furnace, high or low carbon potential will cause decarbonization and recarbonization of the ring surface. After analyzing the rupture reason of failure bearing of 627 ZZ, it is concluded that the high carbon potential in the heat treatment furnace leads to surface recarburizing and cracking.

rupture; recarburization; carbon potential; heat treatment

TH 133.33+1

B

1672-4852（2015）02-0022-03

2015-05-28.

吴志平（1978-），女，工程师 .