史淑艷，田昕偉，鄭嘉琪，鄒龍江

（大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116023）

0 引言

瓦房店某軸承制造有限公司生產(chǎn)的G20Cr2Ni4A軸承滾子，是安裝在軸承上的承載力較大的受擠壓部件。服役過程中，G20Cr2Ni4A 軸承滾子表面需要具有高硬度、高耐磨性和耐疲勞性。該軸承滾子采用低碳合金優(yōu)質(zhì)鋼，為達(dá)到外硬內(nèi)韌的性能要求，原材料需經(jīng)過鍛造→車削加工→934 ℃表層滲碳處理→870 ℃直接淬火→600 ℃高溫回火空冷→810 ℃二次淬火→155 ℃低溫回火處理→磨削等工藝進(jìn)行加工，最后得到軸承滾子。滾子兩端為直徑不同的中孔，長為100 mm，大頭直徑為58 mm，小頭直徑為48 mm，內(nèi)孔直徑為22 mm。在軸承上安裝運(yùn)行大約50 min 后，軸承滾子發(fā)生縱向斷裂，即沿軸承滾子外表面向內(nèi)貫通斷裂成兩塊。滾子內(nèi)表面未發(fā)現(xiàn)機(jī)加工導(dǎo)致的不當(dāng)缺陷。開裂滾子的宏觀形貌如圖1 所示，斷口大部分呈銀灰色，靠近內(nèi)孔面附近處局部存在銀白色氫脆（俗稱“白點(diǎn)”）缺陷，未發(fā)現(xiàn)明顯的夾渣氣孔等缺陷（見圖2）。

圖1 斷裂軸承滾子斷口宏觀形貌

圖2 斷裂軸承滾子斷口高倍照片

1 試驗(yàn)方法

通過線切割沿軸承滾子徑向截取金相樣，并以徑向截面作為金相制備面。首先將得到的樣品在機(jī)械預(yù)磨機(jī)上經(jīng)粗砂紙到細(xì)砂紙磨光，再在拋光機(jī)上用金剛石拋光劑進(jìn)行拋光處理。采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%和4%的硝酸酒精溶液對(duì)拋光好的試樣分別進(jìn)行淺腐蝕和深腐蝕，然后采用萊卡MEF-4 金相顯微鏡對(duì)滲氮層金相組織進(jìn)行觀察和網(wǎng)狀碳化物評(píng)定，以確定金相組織是否合格及網(wǎng)狀碳化物是否超標(biāo)[1-2]。采用洛氏硬度計(jì)檢測磨拋光亮的金相試樣滲碳層和基體的硬度值，即由滾子外表面沿徑向向心部檢測硬度梯度，以確定其硬度是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求[3-4]。采用紅外碳硫分析儀（CS-8800）和X 射線熒光光譜儀（XRF-1800）分析試樣的化學(xué)成分，確定其成分是否合格。在斷裂的滾子疑似氫脆（白點(diǎn)）附近處，采用線切割截取斷口試樣。在超聲清洗機(jī)上采用酒精震蕩清洗斷口試樣，然后用掃描電鏡（SUPARR-55）進(jìn)行斷口分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 金相分析

金相試樣經(jīng)機(jī)械拋光后，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的硝酸酒精溶液淺腐蝕后，放在金相顯微鏡下放大500倍觀察滲碳層金相組織。結(jié)果表明：滲氮層金相組織為回火細(xì)小針狀馬氏體+點(diǎn)狀碳化物；依據(jù)JB/T 8881—2001《滾動(dòng)軸承零件滲碳熱處理技術(shù)條件》要求，評(píng)為2 級(jí)，熱處理金相組織合格（見圖3）。采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%硝酸酒精溶液深腐蝕后，將金相試樣放在金相顯微鏡下放大500 倍進(jìn)行滲碳層金相組織觀察，依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)判定其碳化物分布是否合格。結(jié)果表明：網(wǎng)狀碳化物主要由點(diǎn)狀碳化物組成；網(wǎng)狀碳化物評(píng)定為1 級(jí)，網(wǎng)狀碳化物合格[5]（見圖4）。心部基體金相組織為回火低碳板條馬氏體，符合標(biāo)準(zhǔn)要求（見圖5）。

圖3 金相組織：回火細(xì)針馬氏體+點(diǎn)狀碳化物

圖4 滲碳層碳化物評(píng)級(jí)：網(wǎng)狀碳化物為1 級(jí)，合格

圖5 心部基體金相組織：回火低碳板條馬氏體

2.2 化學(xué)成分分析和硬度檢測

為確定材料的化學(xué)成分是否合格，采用碳硫分析儀和X 熒光光譜儀分析送檢試樣的化學(xué)成分，化學(xué)成分分析結(jié)果如表1 所示。分析結(jié)果表明：化學(xué)成分符合G20Cr2Ni4A 鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求，且化學(xué)成分合格。

表1 G20Cr2Ni4A 鋼的化學(xué)成分

硬度梯度測試：在金相拋光面上，由外表面向心部每隔0.5 mm 測量一個(gè)硬度，共測12 個(gè)洛氏硬度值（HRC），硬度測試結(jié)果如表2 所示。結(jié)果表明：硬度符合JB/T 8881—2001《滾動(dòng)軸承零件滲碳熱處理技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)要求，硬度值合格。表面硬度（HRC）為60.2（標(biāo)準(zhǔn)為58～63），心部硬度（HRC）為39.0（標(biāo)準(zhǔn)為32～48）。淬硬層深度為5.0 mm（標(biāo)準(zhǔn)硬度為50.0 處深度≥3.0 mm、標(biāo)準(zhǔn)硬度為58.0 處深度＞2.0 mm）。軸承滾動(dòng)體硬度值合格，符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3203—1982《滲碳軸承鋼技術(shù)條件》和JB/T 8881—2001《滾動(dòng)軸承零件滲碳熱處理技術(shù)條件》的標(biāo)準(zhǔn)要求，滲碳層厚度≥3.5 mm，合格。

表2 G20Cr2Ni4A 鋼的硬度檢測結(jié)果

2.3 軸承滾子斷口的掃描電鏡分析

用掃描電鏡對(duì)開裂滾子的斷口試樣進(jìn)行形貌觀察。結(jié)果表明：斷口呈一次性脆性開裂特征，存在解理平面，表面光滑并伴有氫脆發(fā)紋，局部存在“櫻穗狀”或“雞爪狀”微裂紋，呈現(xiàn)出氫脆斷口發(fā)紋特征，為典型的脆性斷口特征，是應(yīng)力強(qiáng)度因子較小時(shí)（低碳鋼）典型的氫脆沿晶斷口形貌[6-7]，如圖6—圖9 所示。

圖6 氫脆斷口低倍形貌1

圖7 氫脆斷口低倍形貌2

圖8 氫脆性斷口高倍形貌1

圖9 氫脆斷口高倍形貌2

3 斷裂失效原因分析與討論

斷裂滾子金相組織、硬度梯度和化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)；滾子滲碳層腐蝕后，碳化物呈點(diǎn)狀分布，其網(wǎng)狀碳化物評(píng)級(jí)合格。由掃描電鏡對(duì)斷口形貌進(jìn)行觀察分析可知，滾子斷裂類型為早期氫脆引起的快速開裂。由于滾子靠近外表面基體內(nèi)部存在氫脆（白點(diǎn)）缺陷，當(dāng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滾子受到擠壓，在外力和氫脆處內(nèi)張力的共同作用下，引起其快速斷裂[8-9]。

在高溫+氫介質(zhì)條件下，氫原子將會(huì)進(jìn)入鋼的基體并滯留在基體內(nèi)，且以原子狀態(tài)滲入晶格。服役過程中，常溫下氫原子會(huì)結(jié)合成氫分子，氫分子體積迅速膨脹產(chǎn)生很高的內(nèi)張力，形成沿晶斷裂的微裂紋，滾子運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，在外力的作用下，微裂紋快速生長，從而發(fā)生早期快速開裂失效。

送檢滾子氫脆產(chǎn)生的原因有兩種：一是原材料在冶煉或軋制過程中，因環(huán)境濕度大或存在油污，在高溫情況下導(dǎo)致了氫原子進(jìn)入基體引起氫脆；二是產(chǎn)品在滲碳過程中，在高溫+氫介質(zhì)條件下，操作工藝不當(dāng)造成氫原子進(jìn)入基體引起氫脆[10]。