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某船NSK圆锥滚子轴承保持架裂纹失效分析
作者：bearingpower 发表时间：2010-12-12
关键词】轴承；冲压加工；失效分析 【摘 要】从机械构件失效痕迹学角度，对轴承保持架制造加工过程的宏观、微观痕迹特征进行了细致的观察与分析，结果表明，一次拉深成形过程中，在保持架内凹根部萌生了周向微裂纹，冲裁侧孔时由于凸模刃口过度磨损变钝致使冲裁力过大，引起了裂纹迅速扩展，导致了保证架开裂失效。0 引 言滚动轴承是载运工具机构中的重要基础元件，它对于机构的运动、做功和发挥机械功效具有直接的制约功能。通常滚动轴承由套圈、滚动体和保持架组成。作为隔离、引导滚动体的保持架一般由低碳钢板经冷加工制成。多道冲压加工不可避免地在基体中不同程度上产生损伤，往往制成成品后，才能发现开裂失效。因此，确定失效性质，找出导致开裂的主要原因及其加工工序，对提高产品质量、降低废品率具有现实意义。本文根据残留在保持架上的宏观、微观痕迹特征对其失效原因进行分析。1 情况概述某厂生产的圆锥滚子轴承保持架由 5 mm 厚的08ALl 钢板经冷加工制成。对购买的一批保持架进行质检时，发现经滚砂、抛光后几个保持架在其内凹拐角局部出现了裂纹。2 实验方法及结果2.1 化学分析和金相组织在保持架的多个开裂部位截取试样，经磨光、抛光、硝酸酒精腐蚀后制成金相试样。采用 Phoenix 超薄窗 X 射线能谱仪和分析化学方法测得基体材料的化学成分，结果见表 1。表 1 圆锥滚子轴承保持架的化学成分(质量分数%)CAlSiMnPSFe0.10.020.070.380.020.0199.34 从表 1 可见，开裂nsk保持架材料为 08Al 钢。利用PhilipsXL-30 型扫描电子显微镜观测试样的金相组织，发现大多数游离渗碳体分布于铁素体晶界，且渗碳体包围个别铁素体晶粒的长度约为其周长的 1/3。参照GB6394-86 及 GB/T13299-91，评定此开裂保持架的铁素体晶粒度为 7 级，游离渗碳体为 3A 级，与原设计要求相比游离渗碳体略有超级。此外，利用 X 射线能谱仪测得基体铁素体晶体内还存有少量的小颗粒 MnS、Al2O3夹杂物。2.2 nsk宏观观察与分析仔细观察裂纹形态及其加工痕迹，可发现几个开裂的保持架具有以下共同特征：(1)裂纹均出现在内凹拐角根部，且呈环形分布，常常一侧有宏观裂纹而另一侧无宏观裂纹显现。(2)内凹拐角根部处环形裂纹的分布不均匀，且呈周期性。在竖直立柱根部裂纹相对较窄、浅，而两立柱之间裂纹较宽、深，这表明裂纹从两立柱中间开启并向两侧扩展。(3)内凹拐角根部出现的宽裂纹与背面凹拐角处的间断凹陷一一对应，即凡在内凹根部出现较宽裂纹处，其对应的背面均出现一相当长度的凹陷，并在此处的冲孔下边缘均有一较宽的压棱，而无裂纹处的压棱很窄，压棱越宽，则表明冲裁此边的作用力越大。(4)两立柱间的内凹拐角出现裂纹时，其近邻冲孔边缘的光亮带较宽且宽度均匀，而无裂纹处其邻近冲孔边缘的光亮较窄且两头宽，中间窄、光亮带宽度均匀意味着冲孔上凸模小端刃口两角已磨钝，由原来的直刃边磨成了曲刃边，此时冲孔侧冲裁力增大。(5)在断口以及其横剖面上裂纹扩展均呈拐折痕迹，明显出现了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ断面。由电镜测得Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ断面的深度依次为 0.25 mm、1.5 mm、1.8 mm，Ⅰ断面约在底面与侧边的角平分线上。通过上述宏观形貌观察可推知：裂纹由内凹拐角根部两立柱间萌生启裂，并由此向外凸及两侧方向扩展(特征 2)。保持架内凹拐角开裂与冲孔过程有关(特征2、3)，它是由刃口变钝的凸模向下冲孔时强大的拉应力产生的(特征 4)。整体断裂过程是由多道冷加工工序作用的结果(特征 5)。2.3 nsk微观观测与分析采用扫描电镜、X 射线能谱仪对断口和内凹拐角在各道冷加工过程中的形貌演变进行观测，发现了以下普遍特征：(1)一次拉深成形过程中，在内凹拐角根部普遍产生了密布的周向微裂纹，长度约为 0.05 mm～0.3 mm。这些微裂纹的最大深度约为 0.2 mm，这与断口上出现的韧性带位置、深度相当。由此可推断一次成形过程使保持架内凹根部产生了最大深度为0.2 mm的韧性断裂带。在随后的压坡、伸展过程中这些裂纹逐渐扩展变宽。(2) 断口上靠近内凹拐角根部的Ⅰ断面出现0.15 mm～0.2 mm 宽的韧窝带。其形态为等轴韧窝。根据应力状态与产生韧窝形态的联系，可知这些韧窝带是在正应力作用下形成的。(3)裂纹扩展Ⅱ区的断口形貌呈脆性解理特征。这表明导致裂纹在Ⅱ区扩展的应力也为正应力。该区的裂纹扩展多由晶界开始，晶内的少量小颗粒 MnS、Al2O3夹杂对裂纹的萌生与扩展无明显影响。(4)内凹拐角根部的周向微裂纹是否扩展还取决于裂纹与晶界碳化物链的相对取向。当裂纹前缘与晶界碳化物链平行时，有力于裂纹扩展进而形成宏观裂纹；当裂纹前缘与晶界碳化物链垂直时，裂纹缓慢扩展。3 开裂过程分析根据现场考察、解剖、观测与分析，将加工工序、加工应力与裂纹萌生、扩展的时间?空间相联系，可推断得知保持架的开裂过程：一次拉深成形时在内凹根部首先萌生了周向微裂纹。当磨损变钝的凸模向下冲孔时，在保持架的内凹根部产生了强大的拉应力，致使与碳化物平行的微裂纹优先迅速扩展。再经随后的压坡、伸展工序，裂纹进一步扩展最终导致了保持架的开裂。4 结论和建议一次拉深成形过程中，在保持架内凹根部萌生了周向微裂纹，冲裁侧孔时由于凸模刃口过度磨损变钝致使冲裁力过大，引起了裂纹迅速扩展，导致了保持架开裂失效，建议改变冲压成形工艺，将一次拉深成形改为二次拉深成形；定期更换凸模冲头。 作者：蒋蕾 卫旭峰 王德春宁波金百联轴承有限公司 NINGBO nsk BEARING COMPANY总机电话/TEL：022-58059053 58059268 13102005112 87220519 销售电话/SALES TEL：022-58059063 87222422（直拨）58059268 58059053 13102005112 87220519（转分机）采购部电话/TEL：022-87221977传真/FAX：022-23707785地址/ADD：天津市南开区华苑国际创业中心海泰信息广场B座212室E-mail：web@nskpc.com 网址/WEBSITE：www.nskpc.com www.nkspc.com金百联特种非标轴承网: www.skf365.com 商标 BRANDS:, 金百联 F&F- 市场一部：022-58519722
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