張俊琴，張關(guān)震，吳 斯，張澎湃，趙方偉

(1. 中國(guó)鐵路太原局集團(tuán)有限公司 車輛部，山西 太原 030013；2. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

軸承作為車輛走行部的核心部件，其安全可靠性受到了廣泛關(guān)注。我國(guó)幅員遼闊，地區(qū)間氣候環(huán)境差異大，高速、重載條件下列車長(zhǎng)交路運(yùn)行，以及風(fēng)沙、腐蝕侵害等運(yùn)行條件，使得軸承的服役條件變得十分苛刻，不可避免地會(huì)發(fā)生失效。探明軸承失效的原因，對(duì)提高軸承的可靠性，保障列車正常運(yùn)行具有重要作用[1-3]。

在瓦日線運(yùn)行的某C80E型敞車(裝用353132A型軸承)，經(jīng)探測(cè)站時(shí)報(bào)激熱故障。將故障軸承分解后，發(fā)現(xiàn)其外排內(nèi)圈滾道存在剝離。檢查軸承所屬組件狀態(tài)，與其配合的承載鞍無(wú)裂損、組裝錯(cuò)位等情況，同時(shí)所屬輪對(duì)狀態(tài)良好，車輪踏面無(wú)擦傷、剝離等損傷。本文將運(yùn)用失效分析手段探明該軸承內(nèi)圈的剝離原因，并從軸承鋼材料源頭質(zhì)量控制角度提出相關(guān)預(yù)防建議。

1 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

通過(guò)宏觀觀察確定軸承內(nèi)圈剝離處的形貌特征，同時(shí)判斷剝離性質(zhì)及裂紋源位置。在裂紋源區(qū)切取小試樣，采用FEI-Quanta 400型掃描電鏡及Leica DMI5000M型光學(xué)顯微鏡觀察裂紋源區(qū)的微觀形貌及顯微組織，依據(jù)JB/T 8881—2011《滾動(dòng)軸承 零件滲碳熱處理技術(shù)條件》評(píng)定軸承內(nèi)圈的顯微組織級(jí)別。采用ARL4460直讀光譜儀檢驗(yàn)軸承內(nèi)圈化學(xué)成分，借助HRS-150型數(shù)顯洛氏硬度計(jì)和FM-7型數(shù)字式顯微硬度計(jì)分別檢驗(yàn)軸承內(nèi)圈硬度和淬硬層深度，依據(jù)TB/T 2235—2016《鐵道車輛滾動(dòng)軸承》對(duì)所檢內(nèi)圈的化學(xué)成分、硬度和淬硬層深度結(jié)果進(jìn)行判定。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 宏觀形貌

該套故障軸承的損傷主要存在于外排內(nèi)圈，損傷的表現(xiàn)形式為剝離，其宏觀形貌如圖1所示。由圖1可見(jiàn)：剝離處的面積為15 mm×19 mm，剝離坑中可觀察到明顯的貝紋狀疲勞擴(kuò)展弧線，呈現(xiàn)典型的滾動(dòng)接觸疲勞損傷特征。剝離坑兩側(cè)還伴有劃傷和咯痕，其原因應(yīng)是內(nèi)圈剝離后，剝離碎屑隨軸承的后續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)卡滯、滑動(dòng)于該側(cè)軸承內(nèi)外圈和滾子間所致。

圖1 軸承內(nèi)圈剝離處的宏觀形貌

2.2 裂紋源微觀特征

剝離區(qū)域及裂紋源區(qū)的掃描電鏡形貌如圖2所示。由圖2可觀察到明顯的疲勞弧線起自滾道淺表層并向內(nèi)部擴(kuò)展，疲勞弧線所匯集處為裂紋源位置。裂紋源區(qū)可觀察到破碎和殘留的碎屑存在，如圖3(a)所示。經(jīng)能譜分析(圖3(b))，這些碎屑主要含有Al、O等元素，由此判斷其為Al2O3脆性?shī)A雜物。結(jié)合裂紋源區(qū)殘留夾雜物的破損狀態(tài)判斷，裂紋源區(qū)初始的夾雜物有可能在軸承后續(xù)運(yùn)行過(guò)程中已隨剝離碎屑一起脫落。

圖2 剝離區(qū)域及裂紋源區(qū)的掃描電鏡形貌

圖3 裂紋源區(qū)殘留碎屑掃描電鏡形貌及能譜分析結(jié)果

將裂紋源切開，觀察其截面金相，在裂紋源截面金相中也發(fā)現(xiàn)一定尺寸的非金屬夾雜物存在(圖4(a))，該夾雜物呈鏈狀，其長(zhǎng)度約為0.2 mm，最寬處約為0.009 mm。如圖4(b)所示，該夾雜物的能譜分析結(jié)果表明其同樣為Al2O3脆性?shī)A雜物。

圖4 裂紋源截面金相中發(fā)現(xiàn)的夾雜物形貌及能譜分析結(jié)果

2.3 化學(xué)成分

故障軸承內(nèi)圈采用滲碳軸承鋼，其實(shí)測(cè)化學(xué)成分見(jiàn)表1。由表1可知，故障軸承內(nèi)圈的化學(xué)成分符合TB/T 2235—2016標(biāo)準(zhǔn)中G20CrNi2MoA滲碳軸承鋼(電渣重熔)的要求。

表1 故障軸承內(nèi)圈實(shí)測(cè)化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

2.4 顯微組織和淬硬層深度

采用金相顯微鏡對(duì)故障軸承內(nèi)圈滲碳層組織和心部組織進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖5所示。按照J(rèn)B/T 8881—2011標(biāo)準(zhǔn)中第五級(jí)別圖(滲碳層)、第六級(jí)別圖(心部)的要求對(duì)圖5所示的組織進(jìn)行評(píng)級(jí)和判定，結(jié)果見(jiàn)表2。

圖5 故障軸承內(nèi)圈顯微組織

表2 軸承內(nèi)圈滲碳層組織和心部組織級(jí)別

由圖5和表2可知：故障軸承內(nèi)圈滲碳層為二次淬火、回火后的組織，心部為板條狀馬氏體、貝氏體和少量鐵素體組織，各組織級(jí)別均符合JB/T 8881—2011標(biāo)準(zhǔn)要求。

對(duì)軸承內(nèi)圈淬硬層深度進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果為：滲碳層深度為2.0 mm，滿足TB/T 2235—2016標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求(1.5～2.3 mm)。

2.5 硬度

在故障軸承內(nèi)圈小端面周向均勻布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3)，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的洛氏硬度檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，故障軸承內(nèi)圈表面和心部硬度均符合TB/T 2235—2016標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 故障軸承內(nèi)圈表面和心部洛氏硬度檢驗(yàn)結(jié)果 HRC

3 原因分析和討論

由以上宏觀、微觀觀察和檢驗(yàn)結(jié)果可知，故障軸承內(nèi)圈的化學(xué)成分、顯微組織、淬硬層深度以及硬度均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，由此可初步排除因軸承鍛造和熱處理質(zhì)量問(wèn)題造成內(nèi)圈剝離的原因。

軸承內(nèi)圈剝離處呈現(xiàn)典型的疲勞損傷特征，盡管疲勞裂紋源區(qū)在軸承后續(xù)運(yùn)行過(guò)程中有一定程度的破損，但仍能觀察到殘留和破碎的非金屬夾雜物存在，裂紋源截面金相中也發(fā)現(xiàn)一定尺寸的非金屬夾雜物，這些夾雜物主要為Al2O3脆性?shī)A雜物。

3.1 非金屬夾雜物引起軸承內(nèi)圈剝離的機(jī)理淺析

軸承鋼中的非金屬夾雜物，尤其是脆性?shī)A雜物(如Al2O3)，它與基體的熱膨脹系數(shù)、彈性模量等熱機(jī)性能均存在差異[4](表4)，導(dǎo)致夾雜物與軸承基體的熱變形速率和變形程度不同。因此，軸承運(yùn)行過(guò)程中，在滾動(dòng)接觸應(yīng)力和溫度場(chǎng)的循環(huán)作用下，夾雜物和軸承基體二者的交界處會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉應(yīng)力的直接作用效果是導(dǎo)致夾雜物與軸承基體分離、脫開，嚴(yán)重時(shí)形成微裂紋或引起夾雜物破碎、脫落形成空洞[5]。這種微裂紋或空洞是導(dǎo)致軸承疲勞裂紋萌生的重要因素。因此，脆性非金屬夾雜物對(duì)疲勞裂紋的形成起到了直接成核的效果。

表4 Al2O3夾雜物和軸承鋼材料的熱膨脹系數(shù)和彈性模量

此外，剝離處的裂紋源位于內(nèi)圈滾道淺表層，研究發(fā)現(xiàn)，軸承在運(yùn)行過(guò)程中滾道淺表層區(qū)域所承受的剪切應(yīng)力最大。非金屬夾雜物在鋼材料中的分布極具隨機(jī)性，軸承滾道淺表層材料中若分布有非金屬夾雜物，在上述接觸應(yīng)力及剪切應(yīng)力的綜合作用下，該處夾雜物所在局部區(qū)域的變形將尤為劇烈。若軸承持續(xù)運(yùn)行，這些區(qū)域的變形就會(huì)反復(fù)進(jìn)行，局部區(qū)域也將出現(xiàn)應(yīng)力集中，進(jìn)而加速該區(qū)域疲勞產(chǎn)生，萌生疲勞裂紋[6]。疲勞裂紋首先會(huì)平行于滾道表面擴(kuò)展，隨后在軸承持續(xù)的滾動(dòng)接觸載荷作用下形成二次裂紋并沿組織的弱化區(qū)向上擴(kuò)展至滾道表面，最終發(fā)展為宏觀剝離[7]。

3.2 關(guān)于防范此類剝離損傷的討論

基于鋼鐵材料自身的屬性，其材料中不可避免地會(huì)存在非金屬夾雜物，即便目前國(guó)際上最先進(jìn)的鋼鐵冶煉水平也難以完全去除軸承鋼中的非金屬夾雜物。同時(shí)隨著貨運(yùn)列車載重以及客運(yùn)列車運(yùn)行速度的不斷提高，軸承的服役條件將變得更加苛刻。因此，可以預(yù)測(cè)在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，因非金屬夾雜物導(dǎo)致的軸承失效將不會(huì)消失。但是，鋼鐵和軸承制造企業(yè)不能因此而推卸自身產(chǎn)品質(zhì)量責(zé)任，應(yīng)不斷提高軸承鋼的純凈度水平，采取有效的方法改變夾雜物尺寸、形態(tài)、性質(zhì)及分布狀態(tài)，降低因非金屬夾雜物導(dǎo)致軸承剝離等損傷的概率，這同樣是衡量和評(píng)判軸承制造企業(yè)或鋼鐵企業(yè)制造能力以及質(zhì)量水平高低的標(biāo)準(zhǔn)。軸承鋼制造企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)原材料生產(chǎn)的源頭質(zhì)量控制，明確和加強(qiáng)對(duì)軸承鋼有害夾雜物含量及等級(jí)的內(nèi)控規(guī)定，進(jìn)一步優(yōu)化軸承鋼非金屬夾雜物的尺寸，改變夾雜物的形態(tài)、性質(zhì)及分布狀態(tài)等，同時(shí)嚴(yán)格控制軸承鋼原材料的成材率，確保鋼坯缺陷較為集中的頭尾部切除干凈等。

4 結(jié)論與建議

(1) 軸承內(nèi)圈的剝離是由于滾道淺表層脆性非金屬夾雜物引起疲勞損傷導(dǎo)致，屬于軸承原材料質(zhì)量問(wèn)題。軸承運(yùn)用過(guò)程中，分布于滾道淺表層的一定尺寸的脆性?shī)A雜物由于熱機(jī)性能與軸承基體材料存在顯著差異，導(dǎo)致其在滾動(dòng)接觸應(yīng)力的作用下極易引起應(yīng)力集中，萌生疲勞裂紋，疲勞裂紋在持續(xù)滾動(dòng)接觸載荷作用下逐步擴(kuò)展至滾道表面形成宏觀剝離。

(2) 故障軸承內(nèi)圈的化學(xué)成分、顯微組織、淬硬層深度以及硬度均滿足TB/T 2235—2016標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)G20CrNi2MoA滲碳軸承鋼(電渣重熔)的相關(guān)要求。

(3) 軸承內(nèi)圈故障屬于軸承原材料質(zhì)量問(wèn)題，建議軸承鋼制造企業(yè)加強(qiáng)原材料生產(chǎn)的源頭質(zhì)量控制，明確和加強(qiáng)對(duì)軸承鋼有害夾雜物含量及等級(jí)的內(nèi)控規(guī)定，同時(shí)嚴(yán)格控制軸承鋼原材料的成材率，確保鋼坯缺陷較為集中的頭尾部切除干凈。