風電轉盤軸承套圈裂紋原因分析及預防措施

王嬋，李貴方，仵永剛，曾朝凡，趙翠翠

1.洛陽LYC軸承有限公司 河南洛陽 471039

2.航空精密軸承國家重點實驗室 河南洛陽 471039

1 序言

轉盤軸承由于特殊的使用環境和要求，需要進行適當的調質工藝和滾道感應淬火工藝，來滿足軸承使用過程中所需要的強度和沖擊韌度要求。某公司生產的轉盤軸承套圈經過滾道表面感應淬火后，滾道表面100%熒光磁粉檢測時，發現多件有裂紋，為了避免類似的缺陷重復出現，減少不必要的經濟損失，筆者對套圈裂紋性質進行檢測分析。

該型號套圈材料為42CrMo鋼，加工工藝流程為：下料→鍛造制坯→輾擴→粗車→調質→車加工→滾道感應淬火。

2 理化檢驗

2.1宏觀檢驗

轉盤軸承套圈裂紋均位于套圈內徑靠近端面處，每件套圈裂紋數量不等，裂紋多沿圓周方向分布，長短不一，最長裂紋約延伸3/4圓周，個別裂紋尾部已延伸至端面，裂紋套圈軸承宏觀形貌如圖1所示，其中一處裂紋形貌如圖2所示。

圖1 裂紋套圈軸承宏觀形貌

圖2 磁粉檢測套圈裂紋形貌

套圈滾道在表面感應淬火時，由于受高溫熱影響而產生明顯變色，該熱影響區邊緣距離套圈端面約20mm，套圈裂紋靠近端面，裂紋處內徑表面呈亮金屬色，遠離熱影響區。裂紋所在位置外觀形貌如圖3所示。

圖3 裂紋所在位置外觀形貌

2.2 化學成分分析

對套圈進行線切割取樣，尺寸為15m m×15mm×15mm，采用直讀光譜儀對套圈進行化學成分分析（見表1）。符合GB/T 3077—1999要求。

表1 套圈化學成分（質量分數） （%）

2.3 金相檢驗

制取套圈裂紋橫向截面金相試樣，使用奧林巴斯顯微鏡觀察裂紋形貌。金相顯微形貌如圖4所示，可見該裂紋與表面呈一定角度，整體深約3.6mm，呈撕裂狀，兩側耦合，尾部較細，裂紋兩側有氧化，局部有氧化皮分布。裂紋頭部及尾部均未發現材料夾雜等其他異常情況。

用4%（體積分數）的硝酸酒精溶液腐蝕裂紋截面處后在顯微鏡下觀察，裂紋處金相顯微形貌如圖5所示，可見裂紋兩側局部有貧碳現象。

圖4 裂紋尾部截面形貌

圖5 裂紋兩側局部貧碳

另經檢查，裂紋處無貧碳區域與套圈基體的顯微組織形貌分別如圖6、圖7所示，裂紋處、套圈基體顯微組織無明顯差異，均為回火索氏體+鐵素體。由兩處的顯微組織對比可以看出，裂紋處的顯微組織并沒有受到滾道感應淬火的影響。

圖6 裂紋處顯微組織形貌

圖7 套圈基體顯微組織形貌

2.4 硬度檢驗

經洛氏硬度計檢測，套圈基體、裂紋兩側位置硬度結果見表2。根據檢測結果，裂紋部位硬度與基體硬度無明顯差異。

表2 套圈基體及裂紋兩側硬度值 （HRC）

3 分析討論

通過對該軸承套圈的宏觀檢驗、化學成分分析、金相檢驗及硬度檢測結果分析，可排除滾道感應淬火對裂紋的影響，確定該裂紋為調質淬火裂紋。

由于加熱保溫時間充足，調質淬火裂紋產生的深度及寬度都比表面淬火裂紋略寬，且由于后續的高溫回火加熱，在無保護氣氛下會出現明顯氧化和氧化皮[1]，裂紋尾部出現短而粗的撕裂狀形貌。調質淬火裂紋延伸多沿圓周方向，靠近端面位置居多。

表面感應淬火裂紋是由于加熱時間短，熱影響區僅限于淬硬層區域，產生的裂紋比較淺且細小，尾部非常尖細，分布和延伸方向也與調質裂紋不同，在淬硬區呈短弧線狀分布的較多，并且淬火后的低溫回火不足以在裂紋兩側產生明顯氧化和貧碳[2]。

經查，產生調質淬火裂紋的原因是淬火工藝不恰當造成的，由于淬火加熱溫度在850～900℃，溫度相對過高，再通過水劑淬火冷卻介質急劇冷卻[3]，在組織轉變過程中，局部拉應力大于材料的斷裂強度后產生的撕裂狀裂紋，這是造成轉盤軸承調質淬火裂紋的主要原因之一。

4 結論及建議

1）經過理化分析，出現調質淬火裂紋的軸承應予以報廢處理。

2）在調質中，選擇合適的淬火工藝參數，可適當降低淬火溫度，減少組織應力和熱應力。

3）調質后，可以增加磁粉檢測工序，能夠及時發現裂紋，避免不合格品進入下一道工序。