大型回轉支承滾道裂紋機理分析

李 騰，門冠云，武麗明，孫亞軍

(山西航天清華裝備有限責任公司，山西 長治 046000)

0 引言

某部件大型回轉支承是產品的關鍵部件，具有承載、回轉等功能，回轉支承的失效形式主要是滾道磨損、齒面磨損、滾道裂紋和齒斷裂等，齒面裂紋或斷裂直接導致回轉支承報廢，滾道裂紋會加速回轉支承的損壞，大大降低回轉支承的設計使用壽命[1]。本文針對回轉支承在使用較長時間后檢測發現滾道表面的裂紋進行機理分析研究。

1 回轉支承滾道及其宏觀裂紋形貌

回轉支承零件滾道為50Mn的鍛件，回轉中心直徑為Φ1 100 mm。滾道加工工藝流程為：毛坯鍛件→粗車內外圓→超聲探傷→半精車內外圓→低溫時效處理→精車內外圓及滾道尺寸→滾齒→銑鏜各安裝孔→滾道淬火→磁粉探傷→拋光滾道表面。圖1為回轉支承滾道實物。

圖1 回轉支承滾道實物

將滾道裂紋部位取樣后采用目視及體視顯微鏡進行觀察，裂紋位于滾道內部及滾道外部的機加工表面，裂紋長短不一，呈斷續分布，觀察到的最長裂紋約10.6 mm，所有裂紋形態較為相似；所有裂紋附近未見明顯機械損傷痕跡，滾道表面有多處明顯腐蝕痕跡，體視顯微鏡下觀察，銹蝕區域內部附著一層紅褐色銹蝕產物，銹蝕區域邊緣存在個別小點蝕坑，其他區域呈亮金屬色。圖2為經磁粉探傷后的滾道裂紋宏觀形貌。

圖2 經磁粉探傷后的滾道裂紋宏觀形貌

2 理化檢驗

2.1 斷口形貌分析

圖3為滾道裂紋人工折斷后的宏觀形貌。從圖3中可以看出，折斷后新、舊斷口區域界線分明，新斷口的金屬光澤顯著，而舊斷口顏色呈藍黑色[2]，觀察到的裂紋深度為0.6 mm～1.8 mm。

圖3 沿裂紋折斷后的斷口宏觀形貌

2.2 掃描電鏡分析及能譜分析

用掃描電鏡對斷口進行微觀形貌觀察及能譜分析，分析結果如圖4～圖9所示。從圖4～圖9可以看出：各裂紋試樣斷面形貌較為相似，舊斷口區域可見沿晶二次裂紋，為脆性斷口，具有以沿晶為主+穿晶開裂的延遲開裂特征，斷面上附著“泥紋”狀物質，表面覆蓋有氧化鐵生成物，能譜分析含有Fe、O、Cl及少量Cr、Mn、Si元素，表明基體發生了腐蝕；新、舊斷口交接區域為韌性斷裂，能譜分析主合金元素與基體相似，表明裂紋斷口是在滾道使用過程中裂紋發生了延遲開裂形成的；人工斷口其他區域呈解理+韌窩形貌，能譜分析含有Fe(主)、Mn(0.8%)、Si(0.4%)元素，主合金元素及含量未見異常。

2.3 金相分析

從滾道試樣中存在裂紋部位取樣進行金相分析，結果顯示：所有裂紋均沿晶擴展，可見較多沿晶分叉裂紋；滾道表面存在較多腐蝕坑；金相試樣基體組織為索氏體+鐵素體，硬化層組織為馬氏體[3]；所有裂紋均位于硬化層內部，裂紋區域組織與其他區域組織未見差異，具體見圖10。

圖4 舊斷口低倍形貌 圖5 斷口腐蝕產物形貌

圖6 新、舊斷口交接區域形貌 圖7 人工斷口形貌

圖8 舊斷口能譜分析 圖9 人工斷口能譜分析

圖10 滾道內部裂紋形貌

2.4 硬度測試

對滾道試樣采用梯度測試方法進行硬度測試，測試結果表明滾道試樣表面及近表層硬度滿足設計要求，硬化層深度滿足要求。

3 分析與討論

能譜分析結果表明滾道所用材料的主成分未見異常，金相分析結果表明材料基體組織為索氏體+鐵素體，硬化層組織為馬氏體，硬化層深度及硬度符合設計要求。

滾道圓弧表面及滾道邊緣均可見多條裂紋，裂紋的走向具有明顯的規律性，滾道圓弧表面的裂紋與徑向夾角約70°，滾道邊緣的裂紋與徑向夾角約45°；打開的裂紋斷口均呈藍黑色，應是受到高溫作用形成的氧化色，斷口微觀呈沿晶形貌，可見沿晶二次裂紋，部分晶面存在明顯腐蝕痕跡；金相分析結果表明裂紋起始時位于硬化層內部，在滾道使用過程中裂紋又發生了延遲開裂，其原因是在裂紋尖端的應力腐蝕集中效應下，使淬火裂紋繼續延遲開裂。

滾道生產完成后磁粉探傷檢查無異常，經使用一段時間后磁粉探傷出現裂紋，此現象是由于長時間的回火使淬火裂紋縫隙中充滿了氧化鐵填充物，而氧化鐵的導磁性與基體金屬相近，且由于裂紋很細小，磁粉檢測不易顯示，但隨著長時間的使用，被氧化鐵填充的裂紋尖端陸續產生延遲開裂縫隙，使裂紋張開，并使縫隙內的脆性氧化鐵填充物碎裂，在磁粉檢測時易于顯示，所以再次檢測出現裂紋。

4 結論

回轉支承滾道裂紋均為淬火熱處理裂紋，長時間使用過程發生了應力腐蝕擴展，形成延遲開裂現象。