轴承部件中失效分析检测方案(电子探针)

SSL-CA14-693Excellence in Science Excellence in ScienceEPMA-012 岛津全球应用技术开发支持中心上海市徐汇区宜州路180号华鑫天地二期C801栋 咨询电话：021-34193996http：//www.shimadzu.com.cn 汽车轴承部件异常开裂的电子探针分析 EPMA-012 摘要：轴承是机械装备重要的关键性基础部件。汽车行业中轴承的应用占据了整个轴承产业相当大的一部分。随着汽车工业的发展和性能要求的提高，对轴承的性能要求也提出了更大的挑战。本文使用岛津电子探针分析了某个汽车轴承部件在成型过程中出现的失效问题，解释了出现失效裂纹的原因。同时指出，可借助电子探针背散射检测器高灵敏度的特点，直接进行渗层的观察和评价。 关键词：汽车轴承渗碳失效微区分析电子探针 轴承是最重要的关键性基础件，广泛应用于精密机床、重型装备、矿山机械、冶金设备、各类轿车和轨道交通等重大装备以及风力发电、高铁动车和航空航天等重要领域。目前中国轴承产业已形成规模并仍在高速增长，但中国生产的轴承主要为中低端轴承和小中型轴承，与国外高端轴承和大型轴承等高附加值轴承相比存在较大差距，特别是在航空航天发动机、高速铁路、高档轿车、大型精密数控机床、盾构隧道掘进机、风力发电装备及其他工业领域用的关键轴承上，中国轴承的使用寿命、可靠性等方面仍有很大差距。 轴承按滚动体种类，可分为：球轴承，滚子轴承；按滚动体的列数，分为：单列轴承，双列轴承，多列轴承；轴承按承载方向，分为：向心轴承、推力轴承；按 实验部分 能否调心，分为：调心轴承，非调心轴承(刚性轴承)。此外还有按结构形状和尺寸大小的分类。 据有关资料统计，40%的滚动轴承应用于汽车且约占轴承行业产值的1/3。近年来，随着汽车工业的发展和对汽车性能要求的不断提高，汽车轴承向着小型化、轻量化、高速化和高效率化及使用条件越来越苛刻的方向发展。轴承不仅要求低摩擦、耐磨性和耐久性的摩擦学特性，而且要求在高速、高载、高温等条件下具有长的寿命、高的可靠性、环保和低成本等。 本次测试的汽车轴承部件在成型过程中中间出现裂纹。由于成本及轻量化的要求，部件壁厚约1mm，表面进行渗碳以增加硬度及耐磨性。 X射线检出角：52.5° 1.2仪器配置 晶体类型：约翰逊型全聚焦晶体 罗兰圆尺寸：统一4英寸 通道数：5通道共10种晶体 1.3分析条件 测试参数 加速电压(AccV)： 15 kV 强度单位 (Unit)： counts 束流 (Beam Current)： 300 nA 测试时间 (Sampling time)：面分析 35 ms/point， 定性分析6 min 1.4样品处理 镶嵌、磨制、抛光和腐蚀后进行金相组织观察，重新抛光进行电子探针分析。 结果与讨论 通过金相组织观察确认，中间存在偏析带和超大型非金属夹杂物，内外表面进行了渗碳处理，存在渗碳层。组织确认偏析位置为粗大的铁素体晶粒，近两侧为晶粒较为细小的铁素体+珠光体，其金相组织见图1。 a.. 3整体形貌 b.心部组织 图1金相组织 a. 中间偏析带部位图像 b.. J正常部位图像 图2背散射电子图像 电子探针的背散射电子图像观察可以辨别内外层的渗层分布，对于中间存在偏析分布的特征也能很好的辨认，如上图2所示。 选择中间粗大晶粒铁素体位置和边缘渗层处进行定性分析，结果分别见图 3.a和图3.b。 AccV：15.0(kV).BC：0.30(uA).Beam Size：MIN.SC：0.22(uA). Sampling Time：90.0(ms/point) 6 min Mode a.中间铁素体区域的定性分析谱图及结果 AccV：15.0(kV)，BC：0.30(pA).Beam SIze：MIN.SC：0.21(uA).Sampling Time：90.0(ms/point) 6 min Mode b.边缘渗层区域的定性分析谱图及结果 图3不同位置的定性解析 对出现裂纹的部件中间区域进行元素面分析，结果如下： a. 面分析处BEI b. 0元素的分布 RAPICH ADPICH4 e. P元素的分布 f. SS元素的分布 图44粗大铁素体+非金属夹杂物区域元素分布图 试样横截面的分布特征为表面渗层、珠光体+铁素体区和分布于中间的粗大等轴铁素体晶粒，在中间的铁素体晶粒区可见粗大复合夹杂物(根据化学成分，非金属复合夹杂物包含硫化物、氧化铝和硅酸盐类)，进一步割裂了试样基体组织的连续性。在中间等轴晶区，观察到元素硫的相对集中分布，而元素铝在此处的分布相对其它位置含量更低，未发现磷元素的偏聚。 为了确认铝和硫的偏析分布是否具有共性，避开超大型非金属夹杂物，选择另外一个区域进行Al、S的分布扫描，结果见图5。测试结果与上面吻合一致。 6236 a.l.面分析处BEI ut 628 5 48 410 338 26 b. S元素的分布 c. Al素素的分布 图55) 1偏析带位置另一区域元素分布图 元素铝是钢中常用的脱氧剂。钢中少量的铝可细化晶粒，提高冲击韧性。铝在钢中固溶强化作用大，提高渗碳钢的耐磨性、疲劳强度及心部力学性能。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性，铝与铬、硅合用，可显著提高钢耐高温腐蚀能力。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。 此轴承部件中间位置由于铝的负偏析，导致在渗碳后的热处理过程中，铁素体晶粒的持续长大，形成粗大的等轴晶，降低了心部的强度。另外由于中间部位元素硫的偏聚存在，恶化钢的质量，降低钢的塑性，是一种有害元素，同时在渗碳处理时，若局部硫过高，也有一定的排碳效应，使此位置碳不能渗透。 结论 铝具有细化晶粒的作用，心部位置出现铝的负偏析导致此处组织在热处理过程中形成粗大的等轴铁素体晶粒，降低了心部的力学性能。同时，心部位置存在超大型复合非金属夹杂物，将会进一步割裂基体的连续性，使材料性能恶化。心部位置存在硫过高的特征，所以使心部不易形成与近两侧综合性能较好的铁素体+珠光体一致的组织。 另外，由于电子探针具备照射到样品上的束流较大的特点，具有更好的灵敏度特征，所以背散射图像即可直观地观察到渗层分布信息，可用于渗层的测量和渗层工艺的评价。 电子探针定性分析和面分析显示，中间异常区域存在元素硫的偏析和铝的负偏析。铝具有细化晶粒的作用，心部位置出现铝的负偏析导致此处组织在热处理过程中形成粗大的等轴铁素体晶粒，降低了心部的力学性能。同时，心部位置存在超大型复合非金属夹杂物，将会进一步割裂基体的连续性，使材料性能恶化。心部位置存在硫过高的特征，所以使心部不易形成与近两侧综合性能较好的铁素体+珠光体一致的组织。