SW803146轮毂单元轴承断裂失效分析

梅亚莉 ，王明舟，吉智军

(1洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039 ；2 浙江五州新春集团有限公司，浙江 新昌 312500)

失效样品为1套轿车左后轮轮毂轴承单元，型号为SW803146，装车行驶总里程13 248 km后发生外圈断裂。断裂的外圈加工工艺为：Φ60 mm普通65Mn钢锻造、退火、粗车、外滚道表面区域感应淬火、精车钻孔、磨加工。

1 失效轴承的宏观形貌

断裂失效的半个轴承形貌如图1所示。轴承外圈从凸缘R角处断开，其余轴承零件均完好。对外圈断口宏观观察，裂纹源区在图2所示切割面附近的内径面上，断口颜色暗黄，较平展；裂纹沿顺时针且由内径向外径方向扩展，扩展区断口颜色略暗，相对不平；快速断裂区为新鲜断口(图2中下部)，可明显观察到硬化区与未硬化区，感应淬火硬化层断口为细瓷状。

图1 断裂的半个轴承宏观形貌

图2 宏观断口形貌

2 化学成分

采用直读光谱仪对外圈化学成分进行测定，结果见表1，符合GB/T 1222—2007《弹簧钢》标准的规定。

表1 外圈化学成分分析结果(质量分数) %

3 硬度检测

采用维氏硬度计(载荷为1 kg)，分别按照GB/T 4340—2009《金属材料 维氏硬度试验》和GB/T 5617—2005《钢的感应淬火或火焰淬火有效硬化层深度的测定》对轮毂外圈感应淬火滚道面硬度及硬化层深度进行检测,检测结果见表2。感应淬火技术要求为：滚道面表面硬度60～64 HRC，心部硬度180～235 HB，硬化层深度为1.5～3.0 mm。由表2可知，滚道面表面硬度经换算相当于62.0 HRC，心部硬度相当于191 HB，感应淬火硬化层深度约为2.1 mm，均符合标准要求。

表2 外圈硬度及硬化层深度测量结果

4 金相及扫描电镜检查

将外圈沿图2所示取样部位纵向切开制备成金相试样，感应淬、回火组织按照JB/T 9204—2008《钢件感应淬火金相检验》标准检验，评定结果为6～7级，符合相关标准规定。

金相检验发现在外圈靠近断裂面附近的内径面有许多孔洞，呈细条状(与断裂面大致平行)及不规则小块状，并有裂纹从内径表面沿孔洞缺陷横向开裂；靠近断裂面的滚道面附近也有小点状孔洞。

采用扫描电镜进一步观察孔洞形貌，变倍扫描电镜照片如图3和图4所示，裂纹从R角的内径表面向外径面方向开裂，并沿孔洞形成较长裂纹(图3)；滚道面附近也分布着小点状孔洞(图4a)，对孔洞放大1 500倍观察，孔洞较深，孔洞边缘的表面呈圆滑熔融状态(图4b)。

5 热酸洗检验

将试样按照JB/T 1255—2001《高碳铬轴承钢 滚动轴承零件热处理技术条件》进行热酸洗，热酸洗后试样的宏观照片如图5所示，靠近断裂面的内径面及滚道面区域疏松较严重，断裂面位于滚道面硬化区以外的未硬化区域。

图3 靠近断裂面的内径面附近裂纹及孔洞扫描电镜照片

图4 滚道面附近孔洞扫描电镜照片

图5 试样热酸洗后的宏观照片

6 扫描电镜断口分析

对裂纹源区的断口扫描电镜观察，裂纹源区的微裂纹从内径面向外径方向扩展(图6)，并沿顺时针方向发展(图7)，快速断裂区可明显观察到硬化区与未硬化区(图8)，硬化区呈现准解理断口(图8a)，未硬化区为河流花样状的解理断口(图8b)。

图6 裂纹源区断口扫描电镜照片

7 失效原因分析

外圈在凸缘R角处开裂，裂纹源区在未硬化区域的内径面上，裂纹向外径面及沿圆周顺时针方向逐步扩展，导致外圈断裂为两半。感应淬火的硬化层断口为细瓷状断口，未发现锻造过烧的粗晶断口。由金相及电镜观察结果可知：在靠近断裂面的内径面附近有许多条形及不规则块状小孔洞，相邻的滚道面附近也分布有许多更小的孔洞，这些孔洞缺陷位置相对位于材料中心部位，条形孔洞走向(与断裂面基本平行)沿外圈锻造流线方向。在高倍扫描电镜下观察，孔洞表面比较圆滑，为高温熔融状态。故这些孔洞缺陷为材料的缩孔残余。

图8 快速断裂区断口扫描电镜照片

综上所述，在凸缘R角处内径面附近为轮毂轴承外圈原材料的相对心部，原材料孔洞分布于内径表面及表面下一定深度，在缺陷处极易产生微裂纹，在外力不断地作用下，裂纹向外径面及沿圆周方向扩展，最终导致整个轮毂轴承外圈断裂失效。

8 结论

该失效样品轮毂轴承因外圈凸缘断裂而失效，外圈原材料缩孔残余缺陷是造成外圈断裂失效的主要原因。