摘要：通过外观检查、成分测试、硬度测试、金相组织和扫描电镜观察等方法，对某品牌汽车3个轮毅轴承失效件进行分析，可以找出造成轮毅轴承最终断裂失效的原因。结果表明，3种轮毅轴承的内圈和外圈的组织都符合JB/T1255-2001标准的要求;1#轮轴轴承失效的原因是由于化学成分不合格和轴承内圈滚道的表面硬度较低;2#轮毅轴承的化学成分、硬度和组织都满足要求，失效原因在于密封性较差，而使得外圈滚道中外界硬度相对较高的颗粒落入滚道，造成磨损加剧;3#轮毅轴承外圈碳含量较低，使得外圈滚道表面硬度偏低，且由于润滑条件不好引起了粘着磨损，加剧了轴承的磨损，并最终造成失效。
关键词：轮毅轴承；断裂失效；分析研究
一、前言。
随着我国汽车产量不断增加，轮毅轴承的需求量也在日益增大。轮毅轴承是汽车的重要基础件，其质量对汽车整车质量的影响非常大，对其性能要求也越来越高。轮毅轴承的作用主要是作为承重件和为轮毅的传动提供精确引导，既承受径向载荷又承受轴向载荷。常用的汽车轮毅轴是由两套圆锥滚子轴承或球轴承组合而成，其套圈一般采用热锻毛坯结合后续机加工进行生产。轮毅轴承形状复杂，尺寸精度和形位公差要求高，锻造工艺性差。目前，国内外各主要轴承企业主要采用开式模锻工艺进行生产，锻件成形质量较差，材料的利用率较低。
某汽车在行驶过程中，其后轮毅轴在安装轴承附近发生断裂，该车累计行驶里程为17km。轮毅轴材料为65Mn弹簧钢，经毛坯一锻造一机械加工一调质处理一轴表面高频感应淬火(淬火层深度要求为1.5一3.Omm)后成形。
通过对失效轮毅轴进行外观检查，对其断口进行宏、微观观察和能谱分析，对其金相组织和硬度进行检查，确定了裂纹性质，最后分析了其断裂失效的原因，并给出了建议。本研究对提高后轮毅轴的可靠性，防止同类事故的发生具有一定的工程应用价值。
二、检测分析。
（一）宏观分析。
对其中典型的3种轮毅轴承进行失效分析，编号为1#,2#和3#。对比3种轴承的宏观形貌可以发现，1#内圈存在剥落、滚道变黄，外圈有压痕、滚道变黄;2#外圈上卜滚道有条状压痕;3#外圈有小块压痕。对3种轮毅轴承进行内外圈圆度测量,1#轴承的外圈内侧滚道偏离了设计图纸的标准值，2#外圈外侧滚道圆度、内圈外侧滚道圆度和内圈外侧滚道圆度都偏离了小于2.2m的标准;3#外圈外侧滚道圆度、外圈内侧滚道圆度和内圈外侧滚道圆度偏离设计标准。这也可以解释为什么在轴承运转过程中发生振动和噪音的原因。
（二）成分检测。
选取比较典型的3组失效轮毅轴承进行化学成分检验，在钢研纳克生产的Lab Spark750直读式火花光谱仪上进行化学成分测试，并与国标GB/T18254-2000《高碳铬轴承钢》中GCr15钢的化学成分进行对比分析，可以发现，1#轮毅轴承内圈和3#轮毅轴承的外圈的C含量要低于GB/T18254-2000标准对GCr15钢的要求，其余元素的含量都满足国标要求。
（三）硬度和金相测试。
对3种失效轮毅轴承的外圈进行硬度和硬化层深度测试，并参照机械行业标准JB/T1255-2001《高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理技术条件》对外圈合格性进行评定。根据JB/T1255-2001标准中的要求，当套圈有效壁厚大于15mm时要求硬度在5761HRC，而当有效壁厚在15mm内时要求硬度大于5863HRC叭硬化层深度范围要求必须大于或者等于1mm。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆对比失效轮毅轴承外圈测试结果可知，3种轮毅轴承的硬化层深度满足要求，1#和2#轴承的硬度满足要求，但是3#轴承的硬度偏低，会增加轴承在运行过程中的磨损，从而造成失效，3#轴承硬度偏低与碳含量相对较低有关。
对3种失效轮毅轴承表的外圈进行金相组织检测，3种轮毅轴承的金相组织都为结晶马氏体+针状马氏体+碳化物+残余奥氏体组织。参照JB/T1255-2001《高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理技术条件》中球化退火后的技术要求，按第一级别图评定2—4级为合格组织，即允许有细点状球化组织存在，不存在欠热、碳化物分布不均匀和过热现象，对比3种外圈的金相组织可知，3种轮毅轴承的组织都在2}3级，满足机械行业标准JB/T1255-2001的要求。
对3种失效轮毅轴承的内圈进行硬度和金相组织测试，并参照机械行业标准JB/T1255-2001《高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理技术条件》对内圈合格性进行评定，经过检测发现1#轴承内圈的硬度偏低，而钢球的硬度在62HRC}65HRC,由此可见，在轴承高速运转过程中，1#内圈比较容易产生显微裂纹，随着运行时间的延长，这些显微裂纹会逐渐扩展，并最终造成轮毅轴承的失效；而2#和3#内圈的硬度与钢球相当，金相组织也满足JB/T1255-2001标准的要求。
扫描电镜显微组织，分别对失效的3种轮毅轴承内圈和外圈滚道，以及新轮毅轴承的内圈和外圈滚道进行扫描，电镜显微组织观察。对于新轴承的外圈滚道而言，除了少量较浅的机加工刀痕外，整个滚道表面较为光滑，并没有孔洞或者机械损伤存在;对比3种失效轴承外圈滚道可见，1#外圈滚道的局部区域出现了剥落或者凹坑，但是数量较少;2#外圈滚道中有较多的细小凹坑存在，局部区域存在剥落，细小的凹坑弥散分布，可能是由于外界的硬度相对较高的颗粒落入滚道造成;3#外圈滚道中出现了蠕虫状的块状物凸起，这可能是由于润滑条件不够好而引起的粘着磨损。
同样，对新轮毅轴承和3种失效轮毅轴承的内圈滚道进行扫描，电镜显微组织观察，对于新轴承的内圈滚道而言，表面较为光滑、平整，几乎看不到机械加工刀痕的存在，也没有发现孔洞或者机械损伤存在，内圈滚道表面质量较高;对比3种失效轴承内圈滚道，可以看见，1#内圈滚道表面聚集着大量尺寸不等的鹅卵石状的颗粒，能谱分析结果表明，这些颗粒主要含有C,O和Fe等元素，推测可能是在运行过程中，由于运转不当造成局部区域温度升高，而形成的铁的氧化物，如FeZ03和Fe30、化合物2#内圈滚道中有较多的细小白色颗粒状物质存在，此外还有一定数量的凹坑，对白色颗粒进行能谱分析，主要含有Fe和C元素，表明这些颗粒并不是外来的物质;3#内圈滚道中有较多的连续分布的凹坑，损伤较为严重，应该是在运行过程中产生的刮伤。
三、结论。
(1)轮毅轴的失效模式为疲劳断裂，疲劳裂纹起源于黑色缺陷边界处。
(2)黑色块状缺陷为锻造裂纹，轮毅轴内部存在锻造裂纹是轮毅轴发生疲劳断裂失效的主要原因。
(3)锻造裂纹的产生可能为切削量不足导致轮毅轴原材料料头端部存在块状缺陷，锻造过程中这些块状缺陷随着锻造变形量的增加沿金属材料的变形方向分布，在锻造高温的作用下缺陷界面处发生氧化脱碳从而呈现黑色块状。
(4)建议加强来料检验，应注意料头端部及切口部位。
参考文献：
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[3]刘喜明，张庆茂，郑成菊，等.轿车后轮毅轴H_期疲劳断裂的原因分析，2016,42(7):207-210
论文作者:李宗保,刘字光,孔庆渤
论文发表刊物:《基层建设》2017年6期
论文发表时间:2017/6/27
标签：内圈论文; 轴承论文; 外圈论文; 硬度论文; 金相论文; 组织论文; 裂纹论文; 《基层建设》2017年6期论文;