風電齒輪箱滑動軸承斷裂分析
我公司制造的風電齒輪箱用滑動軸承，鋼背材質(zhì)為Q345D，工藝流程為鍛造→正火→粗車→掛銅，通過離心澆注的方法在其內(nèi)壁掛上一定厚度的銅合金CuPb10Sn10，以降低在運行過程中軸承內(nèi)圈的摩擦系數(shù)。在澆注的過程中，廠家在鋼背兩側(cè)焊上鋼板，以防在澆注過程中銅合金被甩出，同時以感應加熱的方式對鋼背進行預熱，來保證鋼背和銅合金之間的黏合力。供應商在此次提交產(chǎn)品的過程中，出現(xiàn)了1件滑動軸承斷裂，其余17件出現(xiàn)了銅合金與鋼背無法黏合的情況。
由圖1可以看出鋼背斷裂位置在內(nèi)圈，可以清晰的看到斷面的放射條紋，依據(jù)斷口學理論，其放射條紋的收斂位置即為裂紋源位置，即箭頭位置所示。同時可見斷裂源區(qū)域與基體存在明顯色差。
試驗材料與方法
（1）試樣準備
對裂紋源位置進行解剖，并制取試樣，如圖2所示。
圖2顯示了鋼板與鋼背的焊接情況，可見未焊合區(qū)域有明顯的黃亮層，經(jīng)過分析為斷口表面附著的銅合金所致，說明在澆注銅合金之前該位置已經(jīng)斷裂。而焊合區(qū)域的焊縫處顏色發(fā)灰，與鋼背基體顏色存在差異。將試樣繼續(xù)解剖并拋光腐蝕，并標定特征位置，如圖3所示。
（2）金相分析
由圖4可以看出在位置1處鋼板和鋼背各存在一條明顯的裂紋，裂紋呈沿晶分布特征，其周圍存在幾條斷續(xù)分布的小裂紋。鋼背側(cè)裂紋兩側(cè)沒有氧化脫碳現(xiàn)象，這也排除了鍛造裂紋的可能。同時裂紋內(nèi)部存在亮色的銅合金，這也說明了裂紋的離心澆注之前已經(jīng)存在。
由圖5可見，在位置2處存在一條裂紋，發(fā)生于鋼背一側(cè)熱影響過熱區(qū)靠近焊縫粗晶區(qū)，大致平行于熔合線發(fā)展。該裂紋為穿晶型，裂紋末端的顯微形態(tài)是斷續(xù)分布的，為氫致裂紋特征。我們知道Q345D這種低合金高強度鋼對氫較為敏感，在工藝不當?shù)那闆r下易形成氫致裂紋。同時該區(qū)域的組織為粗大的馬氏體組織，說明焊接后工件的冷卻速度較快，出現(xiàn)了組織淬硬現(xiàn)象，會在熱影響區(qū)形成較大的殘余拉應力，增大了其冷裂紋傾向，導致裂紋會在較低應力下產(chǎn)生。經(jīng)過測量，該馬氏體區(qū)域距焊縫位置的厚度為1.7mm。
由圖6可以看出在焊縫熱影響區(qū)也出現(xiàn)了粗大馬氏體組織，且全馬氏體區(qū)厚度為0.3mm，在向基體過渡位置出現(xiàn)了馬氏體+上貝氏體的混合組織，該區(qū)域組織的強韌性均較低，且存在較多的空位、位錯等晶格缺陷，在應力作用下易在薄弱位置形成裂紋源。
試驗結(jié)果與分析
（1）鋼背斷裂過程分析
經(jīng)過對位置1和位置2的裂紋的觀察與應力分析，可以判斷在焊接過程中，焊縫中有富集氫的因素，加之冷卻速度較快，在焊接殘余拉應力的作用下，殘留在焊縫中的氫回向熱影響區(qū)和母材區(qū)擴散。而且熱影響區(qū)的粗大馬氏體組織對氫脆極為敏感而發(fā)生氫致開裂，產(chǎn)生裂紋。同時，在馬氏體相變的組織膨脹拉應力的作用下，裂紋迅速擴展，最終導致鋼背在切除外側(cè)多余鋼板后斷裂。
（2）銅與鋼背黏合力分析
通過對鋼背內(nèi)圈和外圈的金相組織的分析，找到了銅合金與鋼背無法黏合的主要原因。
圖7a為鋼背內(nèi)圈附近的晶粒度照片，其晶粒為8級，而7b為靠近外圈的晶粒度圖片，晶粒為3～4級。同時其內(nèi)外圈的組織也存在較大差異，如圖8所示。
由圖8a可以看出內(nèi)圈組織為大量未熔塊狀鐵素體+少量珠光體組織，而外圈組織為粗大的貝氏體組織。圖8c可以看出外圈表面存在脫碳現(xiàn)象，且在全鐵素體層有嚴重的氧化，出現(xiàn)了大量點狀氧化物。
由上述分析可以判斷在感應加熱過程中，感應加熱裝置在鋼背外圈，所以造成外圈的溫度較高，且停留時間較長，造成了表面脫碳和晶粒度粗大的現(xiàn)象。但內(nèi)圈組織中仍存在大量未熔鐵素體，且晶粒較細，說明其所處溫度較低，未達到其奧氏體化溫度。同樣在焊縫處仍存在馬氏體組織也可以驗證內(nèi)圈溫度較低。在鋼背溫度較低的情況下澆注銅水，會大大降低合金銅與鋼背的黏合力，極易造成銅合金層與鋼背的脫離，甚至銅合金層得開裂，造成銅合金與鋼背無法黏合。
結(jié)語
（1）焊接過程中操作不當形成氫致裂紋，是鋼背斷裂的主要原因。建議：①對鋼背和焊絲進行必要的烘干。②預熱并減慢冷卻速度，利于氫的擴散逸出同時避免淬硬組織的出現(xiàn)。
（2）鋼背預熱工藝不當，造成鋼背內(nèi)圈和外圈加熱溫度不均勻，且內(nèi)圈溫度較低，遠低于離心澆注所要求的溫度，使鋼背與銅合金的黏合力差，易造成銅合金的脫落剝離。建議：均勻加熱溫度，使鋼背內(nèi)圈達到離心澆注溫度，以保證黏合力。
文：李忙、姜永升、陳潤松、于建英，中車北京南口機械有限公司
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