GCr15水泵軸連軸承心軸斷裂原因分析

牛玉周，劉斌，郭長建

(人本集團有限公司 技術中心，上海 201411)

水泵軸連軸承單元作為汽車部件的重要組成部分，其工作溫度一般低于120 ℃，采用一次性填脂潤滑，所受載荷為皮帶張力及來自葉輪的不平衡載荷，工作條件較惡劣。隨著汽車發動機大功率化的發展，對汽車水泵軸連軸承單元的耐熱性能、承載能力及密封性能提出更高要求的同時，水泵軸連軸承的安裝空間及散熱空間越來越小，軸承的工作條件更加惡劣。水泵軸連軸承的主要失效形式包括心軸斷裂，心軸溝道、外圈溝道、鋼球的磨損和疲勞失效，密封失效等。

某型號水泵軸連軸承心軸材質為GCr15鋼，其制造工藝流程為：線材下料→球化退火→車加工→淬火→低溫回火→磨加工。該心軸的淬火工藝為：830 ℃整體淬火加熱→90 ℃油淬→160 ℃回火。采用的熱處理設備是可控氣氛網帶爐，保護氣氛為甲醇+丙烷。該批次產品在使用過程中某一心軸出現早期斷裂失效，該批次其余產品使用狀況良好，為了查找原因，分別采用宏觀觀察、金相組織分析、硬度檢測及斷口SEM分析等手段對心軸進行了分析，并提出了改進措施。

1 理化檢驗

1.1 宏觀形貌觀察

心軸斷裂的外觀形貌如圖1所示。心軸斷裂位置位于心軸一側溝道溝底附近，整個斷面呈正斷型，表現為脆性斷裂。

圖1 心軸斷裂形貌

1.2 斷口的掃描電鏡分析

將斷口用丙酮超聲波清洗后，置于JEOL掃描電鏡下觀察。心軸斷口微觀形貌如圖2所示。從圖2a可明顯看到疲勞貝紋線，為疲勞斷裂，疲勞源位于溝道底部，如箭頭所示位置，但未發現有明顯的塑性變形區域；圖2b顯示在斷口附近發現溝道劃傷缺陷；由圖2c箭頭指示位置可知，溝道底部有沖擊凹痕；圖2d顯示出心部斷口為準解理斷口，為GCr15的正常斷口。斷裂源位置未發現有非金屬夾雜物等異常缺陷。

圖2 心軸斷口的微觀形貌

1.3 化學成分分析

用火花直讀光譜儀對心軸材料成分進行檢測，結果見表1。由表1可知，符合GB/T 18254—2002《高碳鉻軸承鋼》中GCr15的技術要求。

表1 心軸材料化學成分(質量分數) %

1.4 非金屬夾雜物

將斷裂樣品沿軸向切開，并經鑲嵌、拋光制成金相試樣，在光學顯微鏡下進行夾雜物評級，結果見表2，材料非金屬夾雜物符合GB/T 18254—2002《高碳鉻軸承鋼》技術要求。

表2 非金屬夾雜物檢測結果

1.5 淬、回火組織

在斷口附近切下樣塊并制成金相試樣，用4%硝酸酒精浸蝕，在金相顯微鏡下放大500倍觀察斷口附近組織及心部正常組織，檢測方法及標準參照JB/T 1255—2001《高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理技術條件》。心軸組織如圖3所示，斷口附近及心部正常組織均為隱晶馬氏體+殘余碳化物及極少量殘余奧氏體的復相組織，為3級組織，符合標準規定的要求。

圖3 心軸顯微組織

1.6 硬度檢測

采用顯微硬度計對上述金相試樣的斷口附近及心部進行硬度測試，測試條件為：載荷9.8 N，保載時間10 s。結果如下：斷口附近硬度為60.5～60.9 HRC，心部硬度為60.3～60.8 HRC，均符合JB/T 1255—2001標準要求(60～65 HRC)。

1.7 原材料碳化物分布

將試樣用4%硝酸酒精深浸蝕后，在金相顯微鏡下觀察材料中碳化物的分布，結果見表3，符合GB/T 18254—2002和JB/T 1255—2001標準的規定。

表3 碳化物分布檢測結果

2 斷裂原因分析

斷口附近金相組織與心部組織一致，均為GCr15正常淬、回火組織。表面硬度為60.5～60.9 HRC，也驗證了組織無異常的結論。根據金相和硬度的檢驗結果，可以認為熱處理質量合格，其不是造成心軸早期斷裂的主要原因。

由斷口的掃描電鏡分析結果可知，心軸溝道表面存在明顯的劃傷及凹痕缺陷。這與文獻[1]所描述的斷口起源于表面缺陷，疲勞裂紋萌生于材料表面的傷痕，裂紋起始位置沿著傷痕分布基本一致[2]。在使用過程中，在零件表面的條痕和劃痕處會產生應力集中。特別是在受到沖擊載荷和交變載荷時，零件很快就發生破壞[3]。

由以上分析可以確定，軸承心軸溝道表面存在的機械凹痕缺陷是導致心軸在承受正常的彎曲循環載荷時發生疲勞斷裂的主要原因。

3 改進措施

軸承心軸溝道表面的機械凹痕缺陷導致了應力集中，形成顯微裂紋，在使用過程中發生了疲勞斷裂。

根據該分析結果，提出以下改進措施：

(1)加強心軸生產過程控制，避免生產過程中心軸表面出現缺陷；

(2)改進心軸的工作環境或密封條件，避免心軸使用中表面缺陷的形成；

(3)采用中頻感應淬火，增加心部韌性，增大裂紋擴展阻力，以有效延緩裂紋擴展。