SW803146輪轂單元軸承斷裂失效分析

梅亞莉 ，王明舟，吉智軍

(1洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039 ；2 浙江五州新春集團(tuán)有限公司，浙江 新昌 312500)

失效樣品為1套轎車(chē)左后輪輪轂軸承單元，型號(hào)為SW803146，裝車(chē)行駛總里程13 248 km后發(fā)生外圈斷裂。斷裂的外圈加工工藝為：Φ60 mm普通65Mn鋼鍛造、退火、粗車(chē)、外滾道表面區(qū)域感應(yīng)淬火、精車(chē)鉆孔、磨加工。

1 失效軸承的宏觀形貌

斷裂失效的半個(gè)軸承形貌如圖1所示。軸承外圈從凸緣R角處斷開(kāi)，其余軸承零件均完好。對(duì)外圈斷口宏觀觀察，裂紋源區(qū)在圖2所示切割面附近的內(nèi)徑面上，斷口顏色暗黃，較平展；裂紋沿順時(shí)針且由內(nèi)徑向外徑方向擴(kuò)展，擴(kuò)展區(qū)斷口顏色略暗，相對(duì)不平；快速斷裂區(qū)為新鮮斷口(圖2中下部)，可明顯觀察到硬化區(qū)與未硬化區(qū)，感應(yīng)淬火硬化層斷口為細(xì)瓷狀。

圖1 斷裂的半個(gè)軸承宏觀形貌

圖2 宏觀斷口形貌

2 化學(xué)成分

采用直讀光譜儀對(duì)外圈化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表1，符合GB/T 1222—2007《彈簧鋼》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

表1 外圈化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

3 硬度檢測(cè)

采用維氏硬度計(jì)(載荷為1 kg)，分別按照GB/T 4340—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn)》和GB/T 5617—2005《鋼的感應(yīng)淬火或火焰淬火有效硬化層深度的測(cè)定》對(duì)輪轂外圈感應(yīng)淬火滾道面硬度及硬化層深度進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。感應(yīng)淬火技術(shù)要求為：滾道面表面硬度60～64 HRC，心部硬度180～235 HB，硬化層深度為1.5～3.0 mm。由表2可知，滾道面表面硬度經(jīng)換算相當(dāng)于62.0 HRC，心部硬度相當(dāng)于191 HB，感應(yīng)淬火硬化層深度約為2.1 mm，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 外圈硬度及硬化層深度測(cè)量結(jié)果

4 金相及掃描電鏡檢查

將外圈沿圖2所示取樣部位縱向切開(kāi)制備成金相試樣，感應(yīng)淬、回火組織按照J(rèn)B/T 9204—2008《鋼件感應(yīng)淬火金相檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)，評(píng)定結(jié)果為6～7級(jí)，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在外圈靠近斷裂面附近的內(nèi)徑面有許多孔洞，呈細(xì)條狀(與斷裂面大致平行)及不規(guī)則小塊狀，并有裂紋從內(nèi)徑表面沿孔洞缺陷橫向開(kāi)裂；靠近斷裂面的滾道面附近也有小點(diǎn)狀孔洞。

采用掃描電鏡進(jìn)一步觀察孔洞形貌，變倍掃描電鏡照片如圖3和圖4所示，裂紋從R角的內(nèi)徑表面向外徑面方向開(kāi)裂，并沿孔洞形成較長(zhǎng)裂紋(圖3)；滾道面附近也分布著小點(diǎn)狀孔洞(圖4a)，對(duì)孔洞放大1 500倍觀察，孔洞較深，孔洞邊緣的表面呈圓滑熔融狀態(tài)(圖4b)。

5 熱酸洗檢驗(yàn)

將試樣按照J(rèn)B/T 1255—2001《高碳鉻軸承鋼 滾動(dòng)軸承零件熱處理技術(shù)條件》進(jìn)行熱酸洗，熱酸洗后試樣的宏觀照片如圖5所示，靠近斷裂面的內(nèi)徑面及滾道面區(qū)域疏松較嚴(yán)重，斷裂面位于滾道面硬化區(qū)以外的未硬化區(qū)域。

圖3 靠近斷裂面的內(nèi)徑面附近裂紋及孔洞掃描電鏡照片

圖4 滾道面附近孔洞掃描電鏡照片

圖5 試樣熱酸洗后的宏觀照片

6 掃描電鏡斷口分析

對(duì)裂紋源區(qū)的斷口掃描電鏡觀察，裂紋源區(qū)的微裂紋從內(nèi)徑面向外徑方向擴(kuò)展(圖6)，并沿順時(shí)針?lè)较虬l(fā)展(圖7)，快速斷裂區(qū)可明顯觀察到硬化區(qū)與未硬化區(qū)(圖8)，硬化區(qū)呈現(xiàn)準(zhǔn)解理斷口(圖8a)，未硬化區(qū)為河流花樣狀的解理斷口(圖8b)。

圖6 裂紋源區(qū)斷口掃描電鏡照片

7 失效原因分析

外圈在凸緣R角處開(kāi)裂，裂紋源區(qū)在未硬化區(qū)域的內(nèi)徑面上，裂紋向外徑面及沿圓周順時(shí)針?lè)较蛑鸩綌U(kuò)展，導(dǎo)致外圈斷裂為兩半。感應(yīng)淬火的硬化層斷口為細(xì)瓷狀斷口，未發(fā)現(xiàn)鍛造過(guò)燒的粗晶斷口。由金相及電鏡觀察結(jié)果可知：在靠近斷裂面的內(nèi)徑面附近有許多條形及不規(guī)則塊狀小孔洞，相鄰的滾道面附近也分布有許多更小的孔洞，這些孔洞缺陷位置相對(duì)位于材料中心部位，條形孔洞走向(與斷裂面基本平行)沿外圈鍛造流線方向。在高倍掃描電鏡下觀察，孔洞表面比較圓滑，為高溫熔融狀態(tài)。故這些孔洞缺陷為材料的縮孔殘余。

圖8 快速斷裂區(qū)斷口掃描電鏡照片

綜上所述，在凸緣R角處內(nèi)徑面附近為輪轂軸承外圈原材料的相對(duì)心部，原材料孔洞分布于內(nèi)徑表面及表面下一定深度，在缺陷處極易產(chǎn)生微裂紋，在外力不斷地作用下，裂紋向外徑面及沿圓周方向擴(kuò)展，最終導(dǎo)致整個(gè)輪轂軸承外圈斷裂失效。

8 結(jié)論

該失效樣品輪轂軸承因外圈凸緣斷裂而失效，外圈原材料縮孔殘余缺陷是造成外圈斷裂失效的主要原因。