文/苏格历史
编辑/苏格历史
前言钢铁产业是我国推进工业现代化的重要支柱产业，不锈钢在日常生产生活中被大量应用，传统的不锈钢中主要含有镍、铬等合金元素，由于镍的价格上升，以经济实用的氮、锰替代镍研发出了高氮不锈钢，提高了强度和韧性。
高氮不锈钢是一种重要的轴承材料，因为其具备高硬度和耐蚀性，所以被大量用于海洋船舶、航空航天、石油化工和核工业等领域。
螺栓滚轮轴承适用于各种安装尺寸大小受限制的支撑结构，承载能力较大。作为同类轴承的满装圆柱滚子轴承，不但可以承受较高的负荷与外界冲击所带来的负荷压力，而且结构更加紧凑多样、旋转精度更高。此外该型轴承品种多样、安装简单、易于工人操作，被广泛应用于机床、冶金等各种行业领域中。
滚动轴承主要用于机床的主轴、滚珠丝杠和一般传动轴这3个部位。主轴轴承作为机床的重要部件，其性能直接影响到机床的转速、回转精度、刚性等，进而对加工零件的精度、表面质量等产生不良影响。所以，高性能的机床必须选用高性能的轴承。
由于滚针轴承径向截面尺寸小，径向载荷大，所以机床主轴的变速箱主要选用滚针轴承。所采用的组装G2级滚针，平均直径的上下偏差控制在2μm以内；采用高刚性保持架，能够正确地引导滚针平行于轴线，保证受力均匀。
某轴承厂进行动载试验的滚轮滚针轴承在试验过程中发生轴承失效，检查轴承后，确定失效原因是外圈开裂，沿轴承外圈轴向开裂，且裂纹贯穿轴承外圈。
为了降低成本，减少对进口高氮不锈钢滚轮滚针轴承的依赖，同时提高国内高氮不锈钢滚轮滚针轴承的制造技术，使国产滚轮滚针轴承替代同型号进口轴承，本文作者对国产高氮不锈钢滚轮滚针轴承外圈失效开裂原因进行研究，并提出解决问题的措施。
图1失效轴承外圈宏观照片
一、试验方法滚轮滚针轴承在径向载荷作用下，导轨平面来回往复运动，带动轴承外圈沿导轨平面进行往复滚动：径向载荷Fｒ=95230N，轴承外圈转速R=25r/min，轴承寿命Lo=20000r(13.3h)。
一轮试验2套轴承，进口的滚轮滚针轴承简称为JKZC，国产滚轮滚针轴承按照生产工艺不同分别简称为棒车滚轮滚针轴承(BCZC)与锻车滚轮滚针轴承(DCZC)。
3种滚轮滚针轴承的热处理工艺相同，淬火温度1030℃，深冷-80℃，170℃回火3h。第一轮：上轴承为JKZC/下轴承为BCZC；第二轮：上轴承为DCZC/下轴承为JKZC；试验原理与轴承安装位置如图2所示。
图2动载荷寿命试验原理
采用DK7720线切割机床无过热截取滚轮滚针轴承外圈制备金相试样，截取位置如图3所示，金相样件尺寸为长18mm、宽6mm，轴承外圈纵向锻造轧制面作为金相制备面，BCZC、DCZC与JKZC3种样件截取位置相同，金相试样大小一致。
先采用粒度为400目的粗糙砂纸把金相制备面打磨平整，再用1200目的细砂纸打磨金相制备面去除粗划痕，最后在金相抛光机上抛光去除细微划痕。
金相制备面打磨成镜面后用4%的硝酸酒精溶液腐蚀金相制备面，进行腐蚀时间为3s的浅腐蚀以及时间为6s的深腐蚀。采用金相显微镜对其金相组织进行观察，分析失效原因。
将BCZC、DCZC及JKZC金相试样，在超声波清洗机上用酒精清洗180s后用镊子取出，并用吹风机吹干，之后应用SEM拍摄断口形貌。用EDS能谱对3种金相试样基体表面及二次析出相的化学成分进行检测与分析。
图3金相试样截取位置(a)及金相试样(b)
二、结果与分析2.1滚轮滚针轴承动载荷寿命试验结果与分析
在动载试验工况下，DCZC运行5.5h后，外圈开裂，BCZC运行9h后，外圈开裂，JKZC未开裂。外圈沿轴向裂开，密封圈有破损，挡圈存在沿周向的磨损，外圈端面有磨损，滚针外径表面正常，未发现异常，如图4所示。
密封圈破损、挡圈磨损是由于外圈开裂，动载试验设备未及时停机引起的受力不均匀导致，如图4(a)、图4(b)所示，所以应主要分析外圈失效开裂原因。
根据DCZC与BCZC断口宏观形貌，银灰色断口，判断为脆性断裂，裂纹源初步确定为挡圈台阶R角处。
图4挡圈(a)、密封圈(b)及滚针(c)图片
2.2金相分析
对用4%的硝酸酒精溶液腐蚀时间为3s的浅腐蚀金相试样，用金相显微镜放大50倍和500倍进行金相组织观察。
结果发现：JKZC低倍镜下未发现网状组织，DCZC低倍镜下发现网状组织，碳化物分布不均匀。网状组织与锻造温度过高、冷却慢有关。
对比图5与图6可知：500倍下的浅腐蚀与深腐蚀组织相近，未发现明显区别。
图5JKZC浅腐蚀与深腐蚀图片
图6DCZC浅腐蚀与深腐蚀图片
BCZC轴承外圈和JKZC轴承外圈500倍下显微组织相近，如图7(b)和图7(c)所示。图7(a)DCZC显微组织中的碳化物、氮化物与图7(b)BCZC以及图7(c)JKZC相比颗粒较少，应该是锻造温度过高导致。
为了避免轴承锻件内部组织晶粒粗大，因此套圈最后一次锻造/辗扩的锻件横截面在锻造/辗扩前后的尺寸比至少为1.5，故需要选择合理的镦粗比和辗压比。
此外采取适当降低终锻温度，增加锻后空冷速度(如分开摆放，增加风扇制冷等),以防止材料基体中形成网状碳化物。
图73种样件的金相组织对比
2.3硬度及残余奥氏体含量测试
硬度测试：对DCZC、BCZC和JKZC进行取样、镶嵌后进行硬度测试，结果如表1所示。
3种样件的硬度相当均在700HV左右，换算为洛氏硬度为60HRC，满足设计要求。
残余奥氏体含量测试：对3个样件的外圈外径表面进行了残余奥氏体含量的测定，DCZC和BCZC残余奥氏体含量值相当，结果见表2,残余奥氏体含量约为20%。
JKZC其他型号套圈外径表面残奥值约为10%。3种轴承的残余奥氏体含量均满足要求。
2.4SEM断口形貌分析
用扫描电镜拍摄靠近挡圈的轴承外圈R角处断口形貌，如图8所示。图8和图9对裂纹处进行了详细的分析，可以看到断口形貌特征大多是“河流花样”。
“河流花样”的存在导致形成许多强烈反光的小平面——解理面，造成整体平整度较差。而裂纹更易沿特定的晶面扩展、劈开，为解理断裂，原因是面间距较大、键合较弱而易于开裂，裂纹可能沿晶界扩展，造成沿晶脆性断裂。
图8开裂断口形貌5000x
在晶粒内部解理初裂纹的扩展比较容易，但是由于各个晶粒的空间位向不同，解理初裂纹扩展到晶界后，会受到晶界的阻碍，在晶界附近造成应力集中，使得在相邻晶粒内与初裂纹所在晶面相交的解理面上形成新的裂纹源。
解理面是一组相互平行且处于不同高度的晶面，当解理裂纹向前扩展并相互接近时，其间连接的金属因承受较大的应力而很快被撕裂，形成解理台阶或撕裂棱，如图9所示。
解理裂纹继续扩展的过程中，解理台阶相互汇合，因此，在扫描电镜下可以看到由这些高低不平的解理台阶组成的“河流花样”，并且“河流”都发源于晶界。
图9开裂断口形貌20000x
而图9中的韧窝和第二相是塑性断裂特征。塑性断裂是微孔形成、扩大和连接的过程。在大的应力作用下，基体金属产生塑性变形后，在基体与非金属夹杂物、析出相粒子周围产生应力集中，使界面拉开，或使异相颗粒折断而形成微孔。
微孔的扩大和连接也是基体金属塑性变形的结果。较大而深的韧窝往往是由小的韧窝生长合并而来，由于具有较强的塑性变形能力，冲击时可以产生颈缩，吸收较多的冲击能，形成韧窝的形貌，可以大幅度提高材料的冲击韧性，属于塑性断裂的典型特征。所以开裂断口处是以脆性断裂为主，塑性断裂为辅。
2.5电镜扫描EDS能谱分析基体表面及二次析出相化学成分
使用扫描电镜对BCZC、DCZC及JKZC制备的金相试样的基体表面与二次析出相进行EDS能谱分析，基体表面主要化学元素含量如表3所示，二次析出相主要化学元素含量如表4所示。
对比分析得出：JKZC、BCZC和DCZC的基体中铁元素和铬元素含量比约为5∶1，3种样件基体铁铬含量比具有一致性。
所测谱图中，JKZC基体碳含量很稳定，DCZC碳含量在6%以上，BCZC碳含量最不稳定。JKZC基体表面各元素含量稳定，变化波动小，材料一致性好。JKZC基体与BCZC都含有7种元素，DCZC基体中氮元素含量很少。
JKZC与BCZC析出相中铁元素和铬元素含量比2∶3，DCZC析出相中铁元素和铬含量比约为1∶1，DCZC中铬含量低，是含氮化合物含量过少引起的。
综上所述可知，不论是基体表面还是二次析出相中，氮元素含量过低是引起开裂的化学元素影响，所以解决的措施是改进制造加工工艺，增加材料的氮含量。
增加高氮不锈钢氮元素含量后，高氮不锈轴承钢中基本消除了较大尺度的共晶碳化物，热处理回火后析出大量细小弥散的碳化物、氮化物，碳化物整体尺寸细小，分布均匀，钢能达到高强度与一定韧性储备的配合，并且耐蚀性和疲劳性能优异。
高氮不锈轴承钢中析出相细化、基体贫铬区减少及氮－钼协同作用，使其耐蚀性能明显优于440C钢，而且钢中氮含量越高，耐蚀性能越好。因此，较高合金含量（碳＋氮）的高氮不锈轴承钢兼具高硬度和优异的耐蚀性能。
三、结论通过上述分析可知，BCZC、DCZC及JKZC的金相组织、硬度及残余奥氏体含量测试都合格。DCZC金相组织放大50倍下发现网状碳化物会造成轴承外圈韧性降低，脆性增大，在轴承运行过程中受到外力作用极易开裂，造成早期快速脆性开裂。
经扫描电镜拍摄的断口形貌分析验证了DCZC轴承外圈断裂类型为早期快速开裂，“河流花样”的存在导致形成许多强烈反光的小平面—解理面，造成整体平整度较差。裂纹更容易沿着特定的晶面扩展、劈开，裂纹可能沿晶界扩展，造成沿晶脆性断裂。试样中少量分布的韧窝和第二相是塑性断裂特征。所以从微观形貌分析开裂断口处主要是脆性断裂，小部分是塑性断裂。
利用扫描电镜对3种样件进行EDS能谱分析可以得出，与JKZC和BCZC相比，不论是基体表面，还是二次析出相中DCZC氮元素含量太低，约为另2种样件的15%~25%。从金相显微组织中也可以看出DCZC的氮化物颗粒较少，原因是锻造温度过高，冷却缓慢所致。建议调整锻造工艺，增加锻造比，尽量消除带状组织。
由于3种材料的热处理工艺一致，可知热处理工艺对滚轮滚针轴承外圈失效开裂的影响不大，引起失效的原因从元素含量分析主要是氮元素含量过少、锻造过程中含氮化合物大量流失造成的。