重載鐵路貨車輪對軸承套圈斷裂故障分析

□ 徐文天 □ 葛世東 □ 樊麟華 □ 郝 燁 □ 姚建民 □ 郎順明

1.上海聯合滾動軸承有限公司 上海 200240 2.中國鐵路北京局集團有限公司 北京 100038

1 故障情況

重載鐵路貨車輪對軸承是軸箱裝置的重要組成部分,不但直接承受鐵路貨車的簧上質量,而且承受鋼軌對車輪的橫向、縱向沖擊,所以重載鐵路貨車輪對軸承的負荷很大,輪對軸承的性能直接影響鐵路貨車的運行情況。

目前,重載鐵路貨車輪對軸承套圈使用的材料是20CrNi2MoA鋼。20CrNi2MoA鋼是一種滲碳鋼,經過熱處理滲碳后,表面洛氏硬度(HRC)達到59～63,滲碳深度一般要求為1.5～2.3 mm[1]。2018年,重載鐵路貨車353130B輪對軸承在大秦線運行約50萬km后,在檢修時發現存在軸承外圈斷裂的情況。軸承套圈斷裂,容易導致軸承密封失效、油脂泄漏、軸承保持架斷裂、軸承異常磨損,甚至可能造成斷軸、翻車等惡性交通事故。對重載鐵路貨車輪對軸承套圈斷裂進行分析,確認故障原因,采取有效措施,消除質量隱患,對于保障鐵路安全運行而言具有重要意義。

2 理論分析

輪對軸承的加工流程包括鍛造、車削加工、熱處理、磨削加工、表面磷化、裝配,其中可能存在裂紋隱患的加工流程主要有鍛造、熱處理、磨削加工。

輪對軸承裂紋質量問題主要包括鍛造夾雜和碾皮、熱處理組織和硬度缺陷、磨削燒傷等。鍛造過程中過熱,或者套圈輾擴過程中氧化皮輾入套圈表面,都會形成材料內部組織缺陷,造成軸承在運行過程中出現內部裂紋和斷裂。在熱處理過程中,如果二次淬火冷卻時冷卻速度不佳,或產品在冷卻前轉移時等待時間過長,材料組織中都會析出網狀碳化物。網狀碳化物在一定時間循環應力作用下,也容易出現內部裂紋并擴展,導致套圈斷裂。套圈磨削過程中,磨削表面溫度過高,冷卻不足時會由于表面回火形成表面軟點,過度冷卻時會由于二次淬火形成表面硬點,軟點和硬點與周圍正常組織硬度不同,在循環應力作用下容易產生表面裂紋。磨削燒傷主要與磨削溫度、砂輪和工件速比、工件冷卻和潤滑參數、砂輪種類、進給量等因素有關。

筆者針對353130B輪對軸承套圈斷裂故障進行分析。為確認重載鐵路貨車輪對軸承外圈外徑面斷裂的原因及裂紋形成的機理,對軸承外圈斷裂處進行無損檢測、化學成分檢測、表面硬度檢測、殘余應力檢測、顯微組織理化檢驗。

3 宏觀檢查

該重載鐵路貨車輪對軸承外圈外形尺寸為外徑250 mm、寬160 mm、壁厚15 mm。軸承外圈在使用過程中發生斷裂,如圖1所示。整個軸承外徑面發生了貫穿式斷裂,在軸承外圈端面與外徑面倒角邊緣裂損處發現小刻面斷口形貌,屬于軸承外圈裂紋起始位置[3]。裂紋起始位置呈現斷口擴展的放射狀條紋,屬于一次斷裂擴展的斷口形貌。沿著外徑及牙口邊緣分布大量多源臺階條紋,銀白色區域外徑及滾道兩側邊緣為一次斷裂的裂紋間隙。軸承外圈發生斷裂后,外部雜質不斷嵌入裂紋內部,導致存在肉眼可見的硬質小顆粒。外部應力產生撕裂形成二次斷裂面,其心部可見大量韌性斷裂特征,這是由于軸承外圈使用滲碳工藝,心部為低碳鋼,具有良好的韌性。由于斷裂導致軸承內部結構配合出現松動,在左側滾道受到承載鞍接觸應力作用,導致產生鋸齒狀裂紋,裂紋發生擴展。

圖1 輪對軸承外圈斷裂情況

由于軸承外圈端面在使用過程中幾乎不受外部應力作用,并且正常情況下摩擦生熱產生裂紋的可能性也很小[4],因此結合宏觀檢查結果推斷裂紋的產生與軸承生產過程有關,如鍛造、熱處理、磨削加工等。由于這些生產工序引起的裂紋一般不會僅局限于一處,因此對軸承外圈端面、牙口及外徑面進行無損檢測、化學成分檢測、顯微組織檢驗。

4 無損檢測

根據熒光磁粉在輪對軸承外圈裂紋間隙內會堆積的原理,對軸承外圈進行無損檢測。檢測執行JB/T 10338—2002[3]、Q/CR 210.1—2015[4]標準,使用ZHC-600磁粉探傷設備,磁懸液濃度為0.5 ml/100 ml,周向磁化電流為4 000 A,縱向磁化磁勢為9 000 AT,磁化時間為3 s。停止澆注后磁化兩次,每次1 s,磁場方向使用A1 15 μm/50 μm試片全方位清晰顯示,紫外線輻照度為900 μW/cm2,白光照度為16 lx。無損檢測結果如圖2所示,在軸承外圈端面發現了六條未擴展為斷口的原始裂紋。由于斷口處受到使用時組件配合松動及產生高溫的影響,無法準確分析裂紋源產生的原因,因此選擇臨近未受高溫影響的原始裂紋進行裂紋源微觀分析。通過線切割截取任意兩條臨近未發生擴展的裂紋,顯微組織檢驗取樣位置如圖3所示,對裂紋源的橫截面及縱截面進行顯微組織檢驗。

圖2 無損檢測結果

圖3 顯微組織檢驗取樣位置

5 化學成分檢測

在輪對軸承外圈上截取試樣,采用火花放電只讀光譜儀進行化學成分檢測,依據GB/T 3203—2016[5]、TB/T 2235—2016[1]標準的要求進行判定。化學成分檢測結果見表1,表明軸承化學成分符合標準要求。

表1 化學成分檢測結果

6 硬度檢測

采用洛氏硬度計對輪對軸承外圈端面表面進行硬度檢測,一側軸承外圈端面五個測點的洛氏硬度(HRC)為56.8、57.6、68.2、56.5、57.3,另一側軸承外圈端面五個測點的洛氏硬度(HRC)為56.9、56.6、57.0、56.6、56.4,不符合JB/T 8881—2011[6]標準要求。

7 殘余應力檢測

對斷裂件及同類型輪對軸承的外圈中間環帶未磨削處進行殘余應力對比分析,用于判斷熱處理后軸承外圈的殘余應力狀態。兩件軸承外圈經歷滲碳淬火回火及二次淬火回火,在外徑中間環帶相隔120°選擇四個測點,利用X射線應力分析儀檢測各個測點的殘余應力,檢測執行ASTM E915—10[7]、EN 15305:2008[8]、GB/T 7704—2008[9]標準。兩個軸承外圈經過熱處理后,表面殘余應力皆為殘余壓應力,殘余應力檢測結果見表2。

表2 殘余應力檢測結果

8 顯微組織檢驗

對切割取樣后的試樣進行鑲嵌、拋光,采用光學顯微鏡對原始裂紋的裂紋源形貌進行觀察,截面未經腐蝕的形態如圖4所示。裂紋自外徑面至牙口貫穿整個端面,裂紋深度為0.18～0.31 mm不等。斷口擴展到一半進程,在一次斷裂的裂紋下方形成二次斷裂的擴展裂紋。裂紋兩側無氧化物及晶界氧化、外來夾雜等異常缺陷,裂紋間隙內無明顯氧化物,較為潔凈。裂紋的寬度細小,裂紋走向非挺拔有力,呈斷續狀成排分布于外圈端面上,為近似90°角沿晶脆性斷裂特征。裂紋兩側呈現往復彎曲的折疊狀,裂紋終止區域呈現應力撕裂特征形貌。

圖4 裂紋截面未經腐蝕形態

采用滲碳鋼材料專用腐蝕劑常溫4%硝酸酒精對試樣的縱截面進行腐蝕,縱截面腐蝕后的形態如圖5所示。被侵蝕后的顯微組織中,色澤呈現暗黃色的高碳極細片狀馬氏體屬于滲碳材料基體,表面的紫黑色層為高溫回火燒傷層。裂紋尾部兩側的金相組織無異常組織,淬回火組織為一級,晶粒細小,無粗大碳化物。表面高溫回火燒傷層的裂紋區域為裂紋的一次斷裂區域,二次斷裂區域位于基體組織上。由于試樣經過裂紋橫截面檢測,表面受到制樣時的打磨,因此重新在裂紋周圍取樣,對軸承外圈外徑面進行制樣,觀察軸承外圈端面。軸承外圈端面存在一層二次淬火燒傷層,內部為高溫回火燒傷層。在試樣中還發現了網狀碳化物,位于馬氏體的晶界周圍。

圖5 裂紋縱截面腐蝕后形態

9 結論及改進措施

通過分析,輪對軸承外圈材料、熱處理金相組織均符合相關標準要求,斷裂處未發現鍛造夾雜。在顯微組織檢驗過程中,沒有發現屈氏體類組織及過熱的粗針馬氏體。若為滲碳淬火過程引入裂紋,則在二次淬火過程中,由于加熱及淬火件轉移冷卻過程所帶來的影響,裂紋周圍的碳化物數量及馬氏體形貌會產生變化,并且裂紋也會在二次淬火過程中沿馬氏體晶界有一定擴展,裂紋的形貌將不同于實際檢測結果,由此認為裂紋的產生與滲碳淬火關系不大。熱處理二次淬、回火狀態良好,與裂紋無明顯關系。

該重載鐵路貨車輪對軸承外圈外徑面斷裂主要是由于磨削燒傷使軸承外圈端面與外徑面倒角處產生了裂紋源。軸承在使用過程中受到交變應力作用,加之軸承端面次表面局部區域網狀碳化物的影響,微裂紋產生擴展,最終使整個外徑面發生貫穿斷裂[10-11]。

裂紋源產生的主要原因如下:軸承外圈端面在磨削加工過程中進給量過大,砂輪脫粒不佳及冷卻不及時,軸承外圈端面過熱后遇冷卻液快速冷卻,形成二次淬火;碳化物在高溫狀態下大量融入奧氏體,冷卻過程中形成的二次淬火馬氏體硬度極高,導致表層過熱層內組織脆性極高,且含有大量殘余奧氏體,在后續砂輪磨削產生的拉應力作用下形成裂紋源。局部網狀碳化物及持續的砂輪切削應力促使裂紋源向內擴展,形成微裂紋。軸承外圈熱處理后,滲層的殘余應力為壓應力狀態,能明顯抑制裂紋的產生,與產生裂紋的條件相左,且裂紋的形貌也異于熱處理后產生的裂紋。

對于磨削燒傷,磨削溫度過高是根本原因。磨削溫度是影響表面層質量的主要因素,對鋼材的晶粒度、顯微組織、硬度、殘余應力等起決定性作用。磨削溫度中,砂輪與工件接觸的表面溫度對磨削燒傷、裂紋及表面層質量的影響最大。這一溫度隨磨削速度加快及金屬切削量增大而上升,隨工件速度加快而下降。

在軸承外圈端面磨削過程中,應使用合理的磨削參數。在設計生產工藝時,應適當減小軸承外圈端面磨削余量。可以通過重新設計軸承外圈二次淬火過程中壓模淬火的部分模具組件,使軸承外圈高度差的離散性得到有效控制,并且優化軸承外圈端面磨削余量,降低粗磨工序的加工難度。金屬表面的氧化層會污染砂輪,因此也會間接影響產品的磨削速度及表面質量。建議優化熱處理后的噴砂工序,盡可能去除表面氧化層,改善磨加工前產品表面的應力狀態。