軸承外圈裂紋原因分析

于衛(wèi)國，孫偉

洛陽市洛凌軸承科技股份有限公司 河南洛陽 471000

1 序言

我公司生產(chǎn)的軸承外圈產(chǎn)品狀態(tài)如下。

1）型號(hào)和尺寸：型號(hào)為6313外圈，尺寸為φ140mm（外徑）×φ116mm（內(nèi)徑）×33mm（高度）。

2）材質(zhì)：GCr15鋼，執(zhí)行GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》規(guī)定[1]。

3）化學(xué)成分：直讀光譜檢測(cè)符合G B/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》的要求[1]。

4）軸承外圈狀態(tài)：熱處理淬火、回火。

5）裂紋發(fā)現(xiàn)環(huán)節(jié)：淬火、回火后的熒光磁粉檢測(cè)工序。

6）基本加工流程：原材料→鍛造（加熱→切料→鐓餅→沖孔→平高→碾擴(kuò)→整徑）→可控氣氛退火→車削→可控氣氛淬火→回火。

7）軸承外圈熱處理加工設(shè)備：退火設(shè)備為可控氣氛雙層余熱利用球化退火爐，氣氛為氮?dú)?丙烷；淬火設(shè)備為可控氣氛托輥式網(wǎng)帶爐，氣氛為氮?dú)?甲醇+丙烷，淬火冷卻介質(zhì)為光亮淬火油。

2 缺陷宏觀描述

1）此產(chǎn)品在淬火、回火后熒光磁粉檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)一件軸承外圈產(chǎn)生裂紋，裂紋位置主要在外徑、端面及倒角處，且裂紋均集中在產(chǎn)品一端位置。裂紋宏觀形貌及無損檢測(cè)照片如圖1、圖2所示。

圖1 裂紋宏觀形貌

圖2 無損檢測(cè)狀態(tài)

經(jīng)宏觀觀察，隱約可見裂紋的形態(tài)與熒光磁粉檢測(cè)顯示的基本一致。在外徑上裂紋沿周向稍微向一端面偏斜，外徑上多條裂紋呈近似平行狀分布。

2）試樣切割。為確保能夠觀察裂紋的微觀形態(tài)，并盡量減少對(duì)裂紋的破壞，以端面裂紋為邊界，并橫跨外徑裂紋進(jìn)行切割，試樣切割的位置及形狀如圖3所示。

圖3 試樣切割的位置及形狀

3 分析過程描述

3.1 缺陷宏觀分析

缺陷件端面上存在3條較為明顯徑向裂紋，且均跨過倒角延伸至外徑處與正常碾擴(kuò)方向垂直；外徑處存在數(shù)條周向近似平行裂紋，與正常碾擴(kuò)方向一致；其他部位沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。一般碾擴(kuò)形成的裂紋與碾擴(kuò)方向垂直。根據(jù)宏觀形態(tài)無法確定裂紋是產(chǎn)生于鍛造環(huán)節(jié)還是淬火環(huán)節(jié)，因此需進(jìn)一步檢測(cè)該缺陷產(chǎn)品的材料成分、硬度、微觀組織，以及現(xiàn)場(chǎng)查看加工設(shè)備等，從而確認(rèn)裂紋產(chǎn)生的根本原因。

3.2 缺陷件成分及硬度檢測(cè)

用直讀光譜儀對(duì)缺陷件材料化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。

表1 缺陷件材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

用洛氏硬度計(jì)分別對(duì)缺陷件的試樣及殘件進(jìn)行硬度檢測(cè)，結(jié)果見表2。

表2 缺陷件的試樣及殘件硬度檢測(cè)結(jié)果 （HRC）

3.3 缺陷件的試樣微觀組織檢測(cè)

缺陷件的試樣經(jīng)過磨制和拋光，并使用4%硝酸酒精腐蝕后進(jìn)行微觀組織檢測(cè)，結(jié)果如下。

（1）端面裂紋 裂紋長度為3247μm，裂紋深度為1443μm，裂紋周邊存在異常區(qū)，其金相組織如圖4所示。1000倍下可清晰地看到裂紋周邊異常組織為低碳板條馬氏體，如圖5所示。

圖4 端面裂紋及周邊異常區(qū)金相組織（50×）

圖5 端面裂紋周邊組織（1000×）

（2）外徑裂紋 試樣外徑面共存在6條裂紋。每條裂紋周邊均有近似相同的微觀組織，其中最深的裂紋長度為57.5mm、深度為550μm。裂紋周邊存在異常區(qū)，裂紋+異常區(qū)為701μm，如圖6所示。1000倍下可清晰地看到裂紋周邊異常組織為低碳板條馬氏體，同時(shí)在裂紋邊緣可看到明顯的全脫碳形成的鐵素體塊，如圖7所示。

圖6 外徑裂紋及周邊異常區(qū)（50×）

圖7 外徑裂紋周邊組織（1000×）

（3）檢測(cè)結(jié)果 通過微觀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，缺陷部位裂紋周邊為不同深度的脫碳組織[2]，即低碳板條馬氏體+全脫碳形成的鐵素體組織。

（4）初步原因 因?yàn)橥嘶鸷痛慊鹁鶠榭煽貧夥占訜?，所以不可能在裂紋周邊出現(xiàn)脫碳組織，即低碳板條馬氏體+鐵素體組織[3]。因此，這種裂紋肯定產(chǎn)生在鍛造過程，正常的鍛造碾擴(kuò)形成的外徑裂紋一般是軸向的，但此次裂紋卻是周向的，為此我們對(duì)鍛造碾擴(kuò)設(shè)備進(jìn)行調(diào)查分析。

4 鍛造碾擴(kuò)設(shè)備調(diào)查與分析

鍛造碾擴(kuò)設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖8所示。其中，碾擴(kuò)輪安裝在滑塊上。

圖8 鍛造碾擴(kuò)設(shè)備示意

現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，上下移動(dòng)的滑塊間隙大。在碾壓輪剛接觸碾壓產(chǎn)品的瞬間向圖中箭頭方向有一個(gè)小位移，會(huì)在外徑上形成短時(shí)間的軸向拉力，當(dāng)此拉力超過材料強(qiáng)度時(shí)裂紋就產(chǎn)生了。另外，該設(shè)備的冷卻水為手動(dòng)控制，當(dāng)鍛造過程中料坯懸掛在芯輥上后，如沒有及時(shí)碾擴(kuò)，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品局部受到冷卻水的澆注而降溫過多。在局部溫度過低的情況下進(jìn)行碾擴(kuò)，碾壓輪剛接觸產(chǎn)品時(shí)，由于滑塊間隙大而產(chǎn)生軸向拉力，且當(dāng)此拉力超過材料強(qiáng)度時(shí)會(huì)形成周向裂紋，這些裂紋隨著鍛造后的冷卻在裂紋周邊形成脫碳層。端面因只受到周向碾擴(kuò)拉力，所以端面出現(xiàn)徑向裂紋。

5 結(jié)束語

1）裂紋是鍛造碾擴(kuò)過程中產(chǎn)生的。

2）裂紋產(chǎn)生的原因?yàn)殄懺爝^程中料坯懸掛在芯輥上后，沒有及時(shí)碾擴(kuò)，導(dǎo)致產(chǎn)品局部因受到冷卻水的澆注而造成溫度下降，在局部溫度過低的情況下進(jìn)行碾擴(kuò)出現(xiàn)的局部低溫拉裂。外徑局部拉裂隨著碾擴(kuò)的進(jìn)展而變細(xì)、變長。