軸承套圈制造過程中的材料缺陷研究

摘 要：直徑350mm以上的大圓軸承鋼材料，一般用來制造比較大的軸承套圈，經(jīng)常出現(xiàn)因冶金缺陷造成報廢的現(xiàn)象，由于缺陷的特殊性，往往誤判為鍛造過燒。通過觀察缺陷斷口處的宏觀及微觀特征，分析得出材料本身存在低熔點物質(zhì)并呈條帶狀分布，在加熱過程中溶化并伴隨晶粒長大，最終導致制造過程中產(chǎn)品出現(xiàn)缺陷。

關鍵詞：條帶狀過燒；網(wǎng)狀碳化物；硫化物；混合物熔點

隨著國家經(jīng)濟建設發(fā)展的需要，大型軸承市場需求量日益的增長，質(zhì)量要求也越來越高。而軸承質(zhì)量又受鍛件的材質(zhì)與加工工藝等諸多因素的影響。材料缺陷可以在軸承制造過程中的任何工序表現(xiàn)出來。由于其特殊性，通常的做法是將帶有材料缺陷的軸承報廢，這樣又極大地降低生產(chǎn)效率。在國家標準GB/T18254《高碳鉻軸承鋼》中對多種缺陷進行了描述和規(guī)定，但并不能包括所有性質(zhì)的缺陷。利用直徑350mm，450mm或500mm的大圓材料加工的NNU41/600M、341/600CAK、232/600CA、232/530、23296CAW33、241/560CAW

33、232/500CA、230/670CA多次出現(xiàn)同種性質(zhì)的質(zhì)量問題，文章以232/600CA為例，對有缺陷的軸承套圈取樣做低倍檢驗、能譜分析和超聲波探傷，并對比分析缺陷的原因。

1 套圈加工過程中各階段缺陷的表現(xiàn)形式

大型套圈的鍛造，往往采用直徑比較大的圓材進行加工，比如直徑350mm、450mm或500mm等鍛材，缺陷主要表現(xiàn)在磨加工到成品后，終檢階段發(fā)現(xiàn)在套圈內(nèi)徑存在缺陷，由于缺陷的特殊性，往往誤判為鍛造過燒。個別時候，在車加工過程中偶爾也有出現(xiàn)。這種缺陷在各個階段的表現(xiàn)如圖1-圖5。

2 缺陷特征

2.1 缺陷斷口處宏觀特征

缺陷表露在零件的內(nèi)徑和端面，從外形看，極似鍛造溫度高形成的過燒現(xiàn)象，為了更好的分析缺陷的形成原因，我們?nèi)в斜容^嚴重缺陷的套圈進行機械破碎，在缺陷處斷口形貌如圖6-圖8。

在宏觀斷口下，套圈內(nèi)徑缺陷在斷口上的表現(xiàn)1，與鍛造內(nèi)徑?jīng)_孔時的折疊非常相似，但在套圈內(nèi)徑缺陷在斷口上的表現(xiàn)2就可以明顯看出，這種缺陷與的內(nèi)徑?jīng)_孔時的折疊有明顯區(qū)別，缺陷處可見粗大晶粒，呈沿晶開裂，但缺陷周圍基體無過燒痕跡，嚴格區(qū)別于普通的鍛造過燒特征，說明缺陷的形成與鍛造溫度無關。

圖8是從外觀檢驗沒有任何缺陷，但經(jīng)超聲波探傷，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在一定尺寸的空洞，經(jīng)壓力破碎，以缺陷點為中心，形成放射型擴展開裂。

2.2 缺陷斷口處微觀特征

將圖7試樣沿套圈軸向方向切割，進行磨制做微觀金相組織檢驗，微觀形態(tài)如圖9-圖12所示。

在圖9中可以觀察到，孔洞是沿碳化物帶分布，并呈沿晶開裂。圖10是圖9顯微觀察位置向下略微偏移的照片，主要表現(xiàn)的是：孔洞周圍的基體組織完全與其它位置的組織不同的情況。

圖11、圖12表現(xiàn)的更為突出，孔洞在高碳區(qū)沿晶開裂。

2.3 微區(qū)能譜分析

為更準確地確定缺陷類型，我們對樣品進行了微區(qū)分析，主要是針對微區(qū)內(nèi)化學成分，由于在軸承套圈加工過程中，缺陷沒有暴露在空氣中與空氣接觸，所以微區(qū)內(nèi)成分應該是材料本身帶有的。

用能譜分析對圖13中白色方框區(qū)域進行面掃描分析，此部分為孔洞邊沿位置。

面掃描能譜分析為：6.94% S，16.47% Cr，76.59% Fe（均為原子百分數(shù)）；換算成重量百分數(shù)為：4.16% S；15.99% Cr；79.85% Fe?？梢?，硫含量較高（4.16%，重量百分數(shù)）。

用能譜分析對圖13中白色方框區(qū)域進行面掃描分析，此部分同樣為孔洞邊沿位置。

圖15為在試樣其他裂紋中顆粒的形貌，對圖5中的白色方框（紅色箭頭所指）進行能譜分析，能譜分析結(jié)果見表1。

其中，硫含量較高（2.37%，重量百分數(shù)）。

3 缺陷形成原因分析

從套圈加工過程中各階段缺陷的表現(xiàn)形式來看，缺陷具有一定的特征，比如呈條帶狀、沿軸向分布等，從斷口形貌也可以得到證實。

圖6的斷口表現(xiàn)的缺陷類似于鍛造夾皮造成的，但微觀檢驗結(jié)果確認不是鍛造夾皮，因為在缺陷周圍未見鍛造及后工序加熱生產(chǎn)的脫貧碳現(xiàn)象，這是非常有力的證明。

通過對上述所有試樣的分析，我們確認缺陷都具有相同的形貌特征，低倍表現(xiàn)為黑點或是條帶狀過燒，微觀是開裂的孔洞，周圍有一定程度的較大的碳化物聚集，組織晶粒粗大，這些特征都和過熱過燒缺陷吻合，從表面現(xiàn)象看，說明缺陷是過燒造成的，但為何在比較低的加熱溫度下形成此類缺陷，就值得進行探討。

這種問題是產(chǎn)生在零件內(nèi)部局部區(qū)域過熱造成的鍛造開裂，沒有和表面聯(lián)通，沒有脫碳，由于產(chǎn)生于碳化物處，缺陷處可以看到碳化物的聚集。進行掃描電鏡分析，在缺陷部位附近有五害元素等低熔點物質(zhì)的聚集。

鋼錠結(jié)晶時存在枝晶偏析，枝晶間是碳硫磷偏聚部位，結(jié)晶后存在碳化物的聚集，這個部位由于雜質(zhì)元素的聚集，又低于基體的熔點，這是高碳鋼共同特點，有資料進行過具體的分析，此類碳化物與硫、磷聚集在一起時，其熔點為960℃。就是在正常的鍛造溫度下，由于局部物質(zhì)的熔點低于鍛造溫度，過燒首先會出現(xiàn)在局部熔點較低處。這就是我們看到零件內(nèi)部存在局部過熱過燒缺陷的原因。由于鋼材加工時的縱向金屬流變，枝晶偏析條帶呈縱向分布，局部的過熱過燒也會有一定的方向性。

4 實驗驗證

為了證實所有檢驗結(jié)果及分析，我們通過多種方式來證實套圈加工過程中表露的缺陷是因為材料問題所致。

首先，將沒有進行任何處理的原材料棒材進行探傷，在確認探傷合格的情況下，分不同位置將棒材進行解剖，切割成厚度25mm左右的試片，經(jīng)高、低倍檢驗合格后采用鍛造爐內(nèi)加熱，在1000～1100℃溫度下，保溫30分鐘后直接進行水淬火。然后用機械方法將試片破碎成多塊，分別檢驗斷口型貌，圖17是比較典型的斷口型貌之一。

圖中白色箭頭指示的位置，明顯看到孔洞的存在，孔洞直徑約5mm，如果原材料中存在這樣大小的孔洞，探傷是可以發(fā)現(xiàn)的，所以說孔洞是在后續(xù)的加熱過程中形成的。圖片中沿白色線條，可以看到明顯的粗大晶粒呈線狀分布，即，材料中出現(xiàn)了呈線狀分布的過燒帶。此試樣解剖分析，孔洞周圍特征與套圈上的空洞特征（見圖9-12）完全吻合。

我們要注意的是，材料經(jīng)探傷、高、低倍檢驗，沒有發(fā)現(xiàn)問題，在熱處理階段，加熱溫度完全低于軸承套圈的鍛造溫度并且沒有經(jīng)過任何壓力加工，這就說明，缺陷是材料本身具有的，但高倍組織、低倍酸洗及探傷不能發(fā)現(xiàn)，只在加熱過程中形成。也就是材料本身存在低熔點物質(zhì)并呈條帶狀分布，在加熱過程中溶化并伴隨晶粒長大，孔洞邊沿的能譜分析說明低熔點物質(zhì)的存在。

此材料按現(xiàn)行標準進行檢驗，各項指標都是合格的，但經(jīng)過1000℃加熱淬火，還是會出現(xiàn)問題，那就說明一個問題，國家現(xiàn)行的GB/T18254標準，只是規(guī)定了已知的、一般性質(zhì)的缺陷及合格級別，我們應該認識到一個問題，那就是標準不能含蓋所有的、未知的缺陷，我們討論的這種缺陷，只是其中的一種。

為慎重起見，我們用原來出現(xiàn)問題的原材料加工一定數(shù)量產(chǎn)品，在產(chǎn)品的鍛造過程中，進行了跟蹤并對加熱溫度進行了多次檢測，在加熱過程中，最高爐內(nèi)溫度1180℃，保溫時間也足夠透燒，即使如此，產(chǎn)品在磨加工后依然存在原來的缺陷，這也說明，軸承套圈此類缺陷的產(chǎn)生，與鍛造無關。

5 材料缺陷的解決方法及效果

由于此類材料缺陷，在一段時間內(nèi)出現(xiàn)在多家鋼廠提供的材料上，在認清缺陷產(chǎn)生的原因后，先后與各鋼廠進行溝通，共同探討解決方法，制訂解決措施。

（1）適當提高錠材的擴散溫度，延長擴散時間，解決微區(qū)化學成分的均勻性。

（2）增加鍛造大圓料鋼錠重量，達到增加鍛造比的目的。

（3）采用反復鍛造方式進行鍛造，破壞材料內(nèi)部條帶狀碳化物的分布形態(tài)。

各個鋼廠根據(jù)特有的生產(chǎn)條件和實際狀態(tài)，采用以上或其中兩條措施，使問題明顯得到改善，后期提供的材料加工的軸承產(chǎn)品，此類缺欠幾乎不再出現(xiàn)。

6 結(jié)束語

（1）缺陷都具有相同的形貌特征，低倍表現(xiàn)為黑點或是條帶狀過燒，微觀是開裂的孔洞，周圍有一定程度的較大的碳化物聚集，組織晶粒粗大。

（2）鍛造過燒是產(chǎn)生在零件內(nèi)部的局部區(qū)域的過熱造成的開裂缺陷，沒有和表面聯(lián)通，沒有脫碳，從而碳化物聚集。

（3）缺陷周圍無氧化或脫碳現(xiàn)象，說明缺陷在鍛造、熱處理過程中沒有暴露在加熱氣氛中，缺陷與鍛造的折疊及夾皮無關。

（4）無論是套圈端面空洞缺陷，還是套圈內(nèi)徑類似于鍛造過燒缺陷的空洞，其形成原因是材料本身具有的內(nèi)部缺陷所致。

（5）材料內(nèi)部帶狀分布的碳化物及隨之分布的夾雜，會造成局部熔點較低。

（6）一些特殊的材料缺陷在現(xiàn)行標準GB/T18254并沒有體現(xiàn)，在用戶訂購材料時應增加相應的附加條款。