950 mm冷轧轧机中间辊滚珠轴承失效原因分析

刘 刚 王俊海 亓俊鸿

(山东泰山钢铁集团有限公司新材料研究所，山东 271100)

我公司冷轧厂购自某轴承公司的950 mm 轧机中间辊推力轴承，经短时间的使用，滚珠发生断裂，滚珠直径为26.5 mm，轴承型号为156134，轴承外圈、轴承内圈、保持架等各部件表现正常，但滚珠发生断裂，笔者对失效轴承滚珠进行了检测和分析。

1 试验方法

(1)宏观检测:对开裂滚珠进行宏观形貌分析并进行图像采集。

(2)化学成分检测:磨制化学成分分析用滚珠试样，用SPECRTOLAB M9 型光电直读光谱仪对钢板化学成分进行检测。

(3)硬度检测:用HR-150A 洛氏硬度计测量开裂滚珠硬度。

(4)金相分析:在滚珠断面上截取金相试样磨制、抛光，在GX51 金相显微镜上进行金相分析。

2 检测结果

2.1 宏观分析

图1为轴承中开裂滚珠球面及断口宏观形貌。滚珠球面有明显的塑性变形痕迹，球面磨损、变形较为严重，整个滚珠从中间裂为两个半球，在滚珠边沿靠近球面处存在严重的塑性变形，造成整个滚珠断裂为两半的脆性断裂源存在于靠近球面塑性变形区域的滚珠内部，即为图1(b)滚珠断口形貌中的圆圈标示区域，在此脆性断口区域存在由滚珠表面塑性变形区域向滚珠内部延伸的细小裂纹。

2.2 化学成分检测

试样化学成分检测结果见表1。

表1 化学成分检测结果(质量分数，%)Table 1 Test results of chemical composition(mass fraction，%)

通过化学成分检测结果可以看出，滚珠化学成分与我国GCr15 成分相似，此滚珠中碳含量比GCr15 高。

2.3 硬度检测

图1 滚珠球面及断口形貌Figure 1 Ball sphere and fracture appearance

对断裂滚珠进行洛氏硬度检测，分别选取7个检测点进行硬度值测定，测定结果见表2。按照JB/T1255—2001 的规定，直径小于30 mm 的滚珠，常温回火后的硬度要求应在61～66HRC 范围内，在硬度测量过程中还发现滚珠硬度分布不均，局部硬度远低于标准要求。

表2 开裂滚珠硬度检测结果Table 2 Hardness test results of the rupture ball

2.4 金相分析

截取检测试样，磨制、抛光后进行金相检测，图2 为试样基体组织中的夹杂物图片，夹杂物级别为D 类1.5 级。按照GB/T18254—2002 标准要求，轴承钢中非金属夹杂物D 类应小于1.0级，此滚珠非金属夹杂物超标。

利用硝酸酒精溶液对组织进行腐蚀，腐蚀后组织形貌见图3，滚珠边部大部分区域碳化物分布均匀，如图3(a)所示，但在局部区域存在大块碳化物，如图3(c)、图3(d)所示。滚珠心部也存在碳化物聚集区，如图3(b)所示。表3 为滚珠的详细金相分析结果。

图2 滚珠中夹杂物Figure 2 Inclusions existing in ball

表3 金相检测结果Table 3 Metallographic examination results

3 讨论

通过宏观检测发现滚珠球面有明显的塑性变形痕迹，球面磨损、变形较为严重，整个滚珠从中间裂为两个半球，在滚珠断面上存在由球面塑性变形区域延伸至脆性断裂源的细小裂纹，同时硬度检测发现，滚珠局部区域硬度较低，滚珠硬度偏低极易引起滚珠失效［1］。因此可以推测此滚珠由于局部硬度较低，在使用过程中发生局部塑性变形，塑性变形引起滚珠内部产生细微裂纹，进而引起整个滚珠断裂为两个半球。

在金相分析中发现，滚珠中碳化物分布不均，滚珠边沿局部区域存在碳化物聚集现象，直接导致滚珠局部位置硬度值偏低，同时滚珠心部碳化物也存在区域集中现象，滚珠心部碳化物的分布对滚珠使用寿命具有重要影响［2］。在化学分析中发现，滚珠中碳含量超标，较高的碳含量造成滚珠脆性增加，尤其是滚珠心部碳化物密集区域脆断敏感性进一步强化。金相分析还发现滚珠中夹杂物含量超标，较多的非金属夹杂物是造成此滚珠在塑性变形过程中产生内部裂纹并最终引起整个滚珠裂为两个半球的主要原因。

图3 滚珠中网状碳化物Figure 3 Net carbide in ball

4 结论与建议

综上所述，此滚珠表面碳化物分布不均，造成滚珠局部区域硬度偏低，化学成分中较高的碳含量及滚珠心部大量碳化物密集区域，造成滚珠内部区域的脆性增加，在轴承使用过程中，滚珠表面由于硬度偏低发生塑性变形，同时因为滚珠中非金属夹杂物含量过高，滚珠心部存在碳化物大量密集的脆硬区域，使滚珠在塑性变形过程中产生内部细小裂纹，细微裂纹向滚珠心部脆硬区域延伸，造成滚珠内部脆性断裂源的出现，进而引起整个滚珠裂为两半。

滚珠中非金属夹杂物为D 类1.5 级，超出国标要求，且碳化物分布不均匀，滚珠硬度不符合技术要求，说明滚珠材料性能不符合技术要求，应停止使用并进行更换。

［1］魏国亮，李铜桥，张玉龙，李岩.燃气轮机滚珠轴承失效分析.理化检测-物理分册，2009.45(4):228-252.

［2］耿克，童忆，李峰，朱国荣.轴承钢用GCr15 连铸钢坯中心碳偏析控制.现代冶金，2009，37(6):20.