操龍飛

(天際汽車科技集團(tuán)有限公司，上海 201821)

0 引 言

輪轂軸承是汽車的關(guān)鍵零件之一，其主要功能是承受整車重力以及為輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)提供精確的導(dǎo)向，因此需要同時(shí)承受軸向載荷和徑向載荷[1-4]。與第一代和第二代輪轂軸承相比，第三代輪轂軸承結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便，能夠滿足整車輕量化的發(fā)展要求，近年來(lái)在汽車行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[5-9]。

某廠生產(chǎn)的第三代輪轂軸承法蘭材料為65Mn鋼，盤(pán)面直徑為160 mm，高度為98 mm，其主要生產(chǎn)工藝流程為熱模鍛→整體調(diào)質(zhì)處理→車削加工→工作面感應(yīng)淬火→磨削加工→裝配。要求零件整體調(diào)質(zhì)處理后，硬度為230～300 HBW，顯微組織為回火索氏體；工作面感應(yīng)淬火后，硬度為60～65 HRC，顯微組織為回火馬氏體，淬硬層深度為1.8～3.0 mm。某批次輪轂軸承法蘭在待裝配時(shí)，肉眼可見(jiàn)其大盤(pán)面倒圓角區(qū)域出現(xiàn)沿圓周方向分布的裂紋缺陷。為找出該軸承法蘭零件開(kāi)裂的原因，作者對(duì)其進(jìn)行了失效分析。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 宏觀形貌

由圖1可見(jiàn)，該輪轂軸承法蘭內(nèi)圈出現(xiàn)大量細(xì)小裂紋，裂紋呈橘皮狀，沿圓周分布于大盤(pán)面倒圓角區(qū)域，與熱模鍛上模具加載形成的毛坯面平行。

圖1 開(kāi)裂輪轂軸承法蘭宏觀形貌Fig.1 Macroscopic morphology of cracked hub bearing flange

沿軸承法蘭中心軸線將其剖開(kāi)，經(jīng)磨制后置于50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)鹽酸水溶液中，剖面向上。設(shè)置加熱溫度為75 ℃，浸泡20 min后采用3%碳酸鈉水溶液清洗剖面上的腐蝕產(chǎn)物，然后用開(kāi)水沖洗干凈，觀察其鍛造流線形貌。由圖2可見(jiàn)：該零件剖面鍛造流線正常，未見(jiàn)明顯亂流、穿流或紊亂現(xiàn)象；大量斷續(xù)、平行的細(xì)小裂紋分布于鍛造變形集中區(qū)域，以零件軸線為中心近似呈對(duì)稱分布，且主裂紋沿鍛造流線向零件尾部中心區(qū)域擴(kuò)展，形成貫穿式開(kāi)裂。

圖2 開(kāi)裂輪轂軸承法蘭剖面的鍛造流線Fig.2 Forging flowline of section of cracked hub bearing flange

1.2 化學(xué)成分及硬度

在零件正常位置取樣，利用ARL3460型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析。由表1可以看出，該軸承法蘭各元素含量均滿足GB/T 699-2015對(duì)65Mn鋼的技術(shù)要求。利用HB-3000型布氏硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行硬度檢測(cè)，3次測(cè)試結(jié)果分別為251，253，250 HBW，滿足其整體調(diào)質(zhì)處理后的硬度要求。

表1 開(kāi)裂輪轂軸承法蘭的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of cracked hub bearing flange (mass) %

圖3 輪轂軸承法蘭斷口和大盤(pán)面裂紋的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of fracture of hub bearing flange (a-b) and of cracks on large plate (c-d):(b) amplification of area A and (d) amplification of area B

1.3 斷口形貌及微區(qū)成分

將該輪轂軸承法蘭內(nèi)圈的裂紋人為打開(kāi)后截取斷口試樣，將試樣置于丙酮中，使用超聲波清洗機(jī)清洗干凈。使用ZEISS EVO 18型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)斷口形貌及車加工后的大盤(pán)面裂紋區(qū)形貌(見(jiàn)圖2)進(jìn)行觀察。由圖3可知，軸承法蘭斷口和大盤(pán)面裂紋區(qū)的微觀形貌相似，表面均分布著大小不一、具有自由表面特征的熔融收縮狀突起物[10-12]，在晶粒界面處分布有孔洞，斷口未見(jiàn)任何機(jī)械加工或外物損傷痕跡。

通過(guò)掃描電鏡附帶的能譜分析儀(EDS)對(duì)該軸承法蘭斷口和大盤(pán)面裂紋區(qū)域進(jìn)行微區(qū)成分分析。由表2可知：除基體元素外，裂紋表面不存在低熔點(diǎn)夾雜物形成元素；裂紋表面均存在少量氧元素，說(shuō)明該區(qū)域發(fā)生了輕微氧化，這是由于零件開(kāi)裂后與空氣有所接觸。

表2 輪轂軸承法蘭斷口和大盤(pán)面裂紋的EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 2 EDS analysis results of fracture of hub bearing flange and cracks on large plate (mass) %

1.4 顯微組織與夾雜物

在開(kāi)裂軸承法蘭縱截面和大盤(pán)面開(kāi)裂區(qū)域的橫截面上分別取樣，經(jīng)磨拋后，采用Axio Vert.A1型光學(xué)顯微鏡觀察裂紋形態(tài)及非金屬夾雜物，用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液浸蝕后進(jìn)行顯微組織觀察。

由圖4可見(jiàn)：在法蘭縱截面上，裂紋局部邊緣呈鋸齒狀，主裂紋周邊分布有諸多孔洞和細(xì)小裂紋，裂紋內(nèi)部無(wú)明顯氧化物；局部裂紋沿晶界擴(kuò)展導(dǎo)致材料發(fā)生脫落；裂紋及孔洞附近的顯微組織為4級(jí)回火索氏體+少量鐵素體，無(wú)脫碳現(xiàn)象。按照GB/T 10561—2005中的方法A進(jìn)行非金屬夾雜物檢測(cè)，結(jié)果為A細(xì)1.0、A粗0.5、B細(xì)0.5、B粗0.5、C細(xì)0、C粗0、D細(xì)1.0、D粗0.5，符合要求。

圖4 開(kāi)裂輪轂軸承法蘭縱截面微觀形貌Fig.4 Micromorphology of longitudinal section of cracked hub bearing flange: (a) serrated boundary of crack; (b) crack propagation along grain boundary; (c) microstructure near crack and (d) microstructure near cavity

由圖5可見(jiàn)：大盤(pán)面橫截面上存在大小不一的尖角狀孔洞，孔洞內(nèi)部圓滑，周圍存在大量細(xì)小裂紋；裂紋及孔洞附近顯微組織為4級(jí)回火索氏體，無(wú)脫碳現(xiàn)象。

2 開(kāi)裂原因分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，該汽車輪轂軸承法蘭內(nèi)圈的化學(xué)成分、硬度、整體調(diào)質(zhì)處理后的顯微組織均滿足各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)65Mn鋼的技術(shù)要求，由于裂紋區(qū)域?yàn)榉歉袘?yīng)淬火區(qū)域，因此開(kāi)裂與感應(yīng)淬火過(guò)程無(wú)關(guān)。由斷口SEM形貌和能譜分析結(jié)果可知，斷口呈金屬熔融凝固收縮后的自由表面特征，且存在大量的細(xì)小孔洞，說(shuō)明零件在加工過(guò)程中經(jīng)歷過(guò)異常高溫而發(fā)生熔化后結(jié)晶或其原始母材中存在殘留縮孔缺陷。該輪轂軸承法蘭的最高鍛造溫度為1 050 ℃，整體調(diào)質(zhì)過(guò)程的最高加熱溫度為850 ℃，均遠(yuǎn)低于其材料熔點(diǎn)(1 450 ℃)，且斷口未見(jiàn)任何機(jī)械加工或外物損傷痕跡，說(shuō)明該零件裂紋缺陷形成于機(jī)械加工之前。由裂紋缺陷宏觀及微觀形貌可知，主裂紋沿鍛造流線擴(kuò)展，大盤(pán)面的孔洞內(nèi)表面均呈金屬熔融收縮凝固形態(tài)，裂紋以孔洞為中心并沿材料變形方向擴(kuò)展，說(shuō)明該裂紋缺陷形成于鍛造成型過(guò)程中，與母材中的殘余縮孔缺陷有關(guān)。

圖5 開(kāi)裂輪轂軸承法蘭大盤(pán)面橫截面微觀形貌Fig.5 Micromorphology of lateral section of cracked hub bearing flange: (a) cavities and cracks, at low magnification; (b) cavities and cracks, at high magnification; (c) microstructure near the crack and (d) microstructure near the cavity

殘余縮孔一般位于連鑄坯的頭部或尾部中心部位，呈漏斗狀空腔，屬于鋼液在連鑄過(guò)程中不可避免的冷凝收縮現(xiàn)象[13]。通常情況下，鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)會(huì)對(duì)連鑄坯切頭切尾，以防止其中的缺陷殘留在軋材中影響鍛件質(zhì)量。然而在連鑄過(guò)程中會(huì)由于澆注工藝不當(dāng)或鋼液液面波動(dòng)等異常情況導(dǎo)致工藝制定的切除量偏小，使得殘余縮孔等缺陷殘留在零件中，從而降低了零件的有效承載面積。而且，在外部載荷下縮孔周邊易形成應(yīng)力集中而萌生微裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展導(dǎo)致材料開(kāi)裂，極大影響著零件的使用壽命。因此，對(duì)汽車輪轂軸承法蘭零件所用原材料的檢驗(yàn)至關(guān)重要。可針對(duì)頭坯和尾坯進(jìn)行標(biāo)識(shí)，對(duì)其原材料質(zhì)量予以重點(diǎn)關(guān)注。

3 結(jié)論及建議

(1) 該汽車輪轂軸承法蘭內(nèi)圈開(kāi)裂主要是由于鍛造過(guò)程中存在鍛造裂紋；鍛造裂紋的產(chǎn)生原因?yàn)檫B鑄坯頭尾的切除量不足導(dǎo)致原材料中存在殘余縮孔缺陷；在鍛造過(guò)程中裂紋從縮孔處萌生并沿材料變形方向擴(kuò)展，最終導(dǎo)致軸承法蘭尾部開(kāi)裂。

(2) 建議加強(qiáng)對(duì)軸承法蘭類零件原材料的入廠質(zhì)量檢驗(yàn)，重點(diǎn)關(guān)注其低倍組織和縮孔缺陷。