軸承鋼球表面缺陷分析方法

梁華 ，王姍姍，仇亞軍，李金菊

(1．洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2．徐州羅特艾德回轉(zhuǎn)支承有限公司，江蘇 徐州 221004)

1 常見(jiàn)缺陷及分析方法

鋼球的加工方式主要分為冷、熱加工，小尺寸鋼球一般采用冷鐓成形，而較大尺寸鋼球則采用熱軋或熱鍛成形。不同的加工方式形成的表面缺陷也各有特點(diǎn)?？傮w來(lái)說(shuō)，鋼球表面較常見(jiàn)的缺陷主要有原材料表面裂紋，冷、熱加工折疊，淬火裂紋，砂輪擠傷，腐蝕斑點(diǎn)和軟磨金屬疲勞等，而每種缺陷的形貌特征、微觀金相組織、采用的分析方法及應(yīng)對(duì)措施是不同的，其主要區(qū)別見(jiàn)表1。

表1 鋼球表面缺陷的形貌特征、分析方法及應(yīng)對(duì)措施[1]

根據(jù)鋼球表面缺陷形貌，首先結(jié)合表1對(duì)缺陷種類及分析方法進(jìn)行初步的選擇并進(jìn)行檢驗(yàn)與分析，依據(jù)結(jié)果進(jìn)行綜合判斷，最終確定鋼球表面缺陷的種類及其產(chǎn)生的原因。

2 檢驗(yàn)與分析實(shí)例

某公司送檢4粒GCr15鋼制Φ50 mm成品鋼球，其中1粒為熱酸洗球，其表面布滿尺寸不等的小凹坑缺陷，局部可見(jiàn)彎曲狀細(xì)裂紋；另3粒為成品球，表面光亮，但仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)表面局部存在2 mm左右的小缺陷(圖1和圖2)。據(jù)介紹，該規(guī)格鋼球是在進(jìn)行常規(guī)渦流探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)了異常并確定存在表面缺陷的。為了確定鋼球表面的缺陷性質(zhì)，對(duì)送檢的4粒鋼球進(jìn)行了詳細(xì)分析。

圖1 鋼球(熱酸洗后)表面缺陷形貌

圖2 鋼球表面缺陷形貌(缺陷位于標(biāo)注區(qū)域內(nèi))

2.1 宏觀形貌檢查

將圖2所示鋼球表面標(biāo)注區(qū)域放在放大鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)鋼球表面缺陷均為黑色，大小各異、形狀為點(diǎn)狀或細(xì)線狀，呈隨機(jī)分布。

2.2 掃描電鏡及能譜分析

采用JSM-6380LV掃描電鏡對(duì)圖2所標(biāo)注的鋼球表面的3個(gè)缺陷(分別編號(hào)1#，2#和3#)進(jìn)行變倍觀察(圖3～圖8)。并采用EDS能譜儀對(duì)缺陷部位成分進(jìn)行分析。結(jié)果表明，鋼球表面缺陷形貌各異并呈疏松態(tài)，其中1#缺陷尺寸最大，為572 μm×337 μm。缺陷表面材料成分中的氧含量較高，將缺陷解剖后發(fā)現(xiàn)剖面內(nèi)存在許多微裂紋和灰色異物，能譜分析結(jié)果表明，該灰色異物主要為氧化鐵。

2.3 金相檢驗(yàn)

將鋼球表面1#和2#缺陷(圖3和圖5)的剖面用4%硝酸酒精溶液腐蝕后，放置在金相顯微鏡上對(duì)缺陷底部金相組織進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)缺陷處較疏松，呈弧線或蝶狀，內(nèi)部局部存在細(xì)小的灰色異物，另外底部還存在嚴(yán)重的脫碳現(xiàn)象，其中，1#缺陷深度為0.25 mm(圖9)，2#缺陷剖面形貌如圖10所示。

圖3 鋼球表面1#缺陷形貌

圖4 1#缺陷局部放大形貌

圖5 鋼球表面2#缺陷形貌

圖6 2#缺陷局部放大形貌

圖7 鋼球表面3#缺陷形貌

圖8 3#缺陷放大形貌

圖9 圖3所示1#缺陷的剖面形貌

圖10 圖5所示2#缺陷的剖面形貌

鋼球的淬、回火組織為3級(jí)，網(wǎng)狀碳化物為1級(jí)，屈氏體為2級(jí)(距表面3 mm 以內(nèi))，符合JB/T1255—2001《高碳鉻軸承鋼滾動(dòng)軸承零件熱處理技術(shù)條件》要求。

2.4 熱酸洗檢驗(yàn)

將送檢的另2粒鋼球按照J(rèn)B/T 1255—2001進(jìn)行熱酸洗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋼球表面和兩極上均存在凹坑缺陷，如圖11所示，這說(shuō)明缺陷是隨機(jī)分布的，與原材料質(zhì)量和軋制狀態(tài)無(wú)必然聯(lián)系。

圖11 分布在鋼球兩極的凹坑缺陷

2.5 工藝過(guò)程調(diào)查

據(jù)介紹，鋼球的加工工藝過(guò)程為：原材料熱軋退火→分裝→軟磨→淬、回火→硬磨→超聲波探傷→研光→渦流探傷。該鋼球生產(chǎn)廠家購(gòu)進(jìn)的是熱軋退火毛坯球，經(jīng)取樣熱酸洗檢驗(yàn)后進(jìn)行軟磨，總留量約為3 mm，其中光球深度約為2.5 mm。該批鋼球在軟磨前進(jìn)行了分裝，每盒約200 kg，每臺(tái)磨床同時(shí)加工2盒球，為同一個(gè)批次，且直至成品該批次號(hào)均不變。軟磨前對(duì)購(gòu)進(jìn)的該批次毛坯球進(jìn)行熱酸洗檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)異常，但在渦流探傷時(shí)卻發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)批次的部分鋼球表面存在缺陷，而其余批次鋼球表面均未發(fā)現(xiàn)異常。

根據(jù)工藝過(guò)程調(diào)查并結(jié)合熱酸洗的結(jié)果認(rèn)為，鋼球表面缺陷與毛坯球無(wú)直接關(guān)系，初步判定缺陷是在后續(xù)加工過(guò)程中產(chǎn)生的。

2.6 結(jié)果分析

根據(jù)金相檢驗(yàn)確定缺陷底部存在嚴(yán)重脫貧碳的結(jié)果認(rèn)為，鋼球表面缺陷產(chǎn)生于熱處理淬、回火工序之前，即缺陷是在軟磨工序產(chǎn)生的。

該批次球坯環(huán)帶較大(單邊磨量約為1.25 mm)，當(dāng)光球盤的溝槽鈍化后，由于鋼球在上、下球盤間主要承受往返擠壓、搓揉力的作用，其尺寸消耗很慢，若在此狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間軟磨，鋼球表面會(huì)產(chǎn)生金屬疲勞層(或稱疏松層)，在外觀上表現(xiàn)為黑點(diǎn)、凹坑或細(xì)微的龜裂紋。由于軟磨時(shí)的加工疲勞層較疏松，與基體的結(jié)合能力較差，很容易在隨后的加工過(guò)程中剝落，形成麻點(diǎn)或凹坑[2]。另外，由于熱軋鋼球表面存在較多的氧化皮，在光球過(guò)程中很容易脫落被壓入金屬疲勞疏松層并遺留在凹坑等缺陷中。該缺陷形成于熱處理工序之前，又較疏松，故很容易脫碳。

結(jié)果認(rèn)為，送檢鋼球表面的凹坑等缺陷屬于軟磨金屬疲勞，形成于熱處理工序之前的光球過(guò)程中。建議采取以下預(yù)防措施[3]：

(1)改變機(jī)床工藝參數(shù)。建議采取2次光磨，即先后采用低壓低速、高壓高速、低壓高速和低壓低速進(jìn)行磨削。

(2)保持光球液的潔凈度，并及時(shí)更換切削液，提高切削液的清洗能力，使光球盤溝槽具有較好的“自銳更新”能力；避免因長(zhǎng)時(shí)間加工而導(dǎo)致鋼球表面金屬疲勞。

3 結(jié)束語(yǔ)

在鋼球表面缺陷的分析過(guò)程中有幾種缺陷較相似，易造成誤判，如冷、熱加工折疊，砂輪擠傷及軟磨金屬疲勞，這就需要根據(jù)缺陷的外觀形貌、分布狀態(tài)、加工工藝過(guò)程以及特有的微觀組織特征等進(jìn)行綜合分析才能準(zhǔn)確定性。