軸承鋼球表面缺陷的分析思路

梁華，王姍姍，程彬

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039；3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039)

鋼球是球軸承中承受載荷的滾動(dòng)體，是最重要的零件之一，其加工工藝過程從冷鐓(或熱軋、鍛)球坯到最后的清洗包裝，涉及諸多的加工工序，而每道加工工序都可能會(huì)對球的表面質(zhì)量產(chǎn)生影響[1-2]。鋼球的表面質(zhì)量會(huì)直接影響軸承的使用性能。

就成品鋼球而言，較為常見的缺陷有：表面微裂紋、表面軟點(diǎn)、表面劃傷以及表面黑點(diǎn)等，每種缺陷都可能導(dǎo)致鋼球在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生疲勞剝落乃至破碎，從而導(dǎo)致軸承發(fā)生早期失效。運(yùn)用各種分析手段盡快找到造成表面缺陷的根本原因并及時(shí)提出應(yīng)對措施至關(guān)重要[1-2]。

文中主要采用宏觀觀察、微觀分析、金相檢驗(yàn)及冷酸洗等方法對2種鋼球表面缺陷進(jìn)行分析，并通過案例總結(jié)了鋼球在冷加工過程中所產(chǎn)生的表面缺陷的分析思路和方法。

1 分析思路及方法選擇

1.1 鋼球表面常見缺陷

鋼球的加工方式主要分為冷、熱加工2種：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)。鋼球表面比較常見的缺陷主要有以下幾大類：原材料表面裂紋、冷熱加工缺陷、淬火裂紋、擠壓傷、腐蝕斑點(diǎn)和軟磨疲勞等，每種缺陷的形貌特征、金相組織和采用的分析方法、應(yīng)對措施是不同的。成品鋼球表面較明顯缺陷，如原材料表面裂紋和淬火裂紋等廢品已在加工過程中被淘汰，其常見表面缺陷種類大致有7種，缺陷形貌特征及對應(yīng)的分析方法見表1。

1.2 分析方法的選擇

根據(jù)鋼球表面的缺陷形貌首先結(jié)合表1對缺陷類型及分析方法進(jìn)行初步的選擇，并進(jìn)行檢驗(yàn)與分析。若缺陷尺寸較小，需要先進(jìn)行掃描電鏡觀察及能譜分析確定缺陷的微觀形貌及內(nèi)部微區(qū)成分；然后再對缺陷進(jìn)行解剖，采用金相的方法觀察缺陷的深度和周圍的金相組織，依據(jù)結(jié)果進(jìn)行綜合判斷，最終確定鋼球表面缺陷的類型及其產(chǎn)生原因。

表1 成品鋼球表面常見缺陷的分類、特征及分析方法[3-4]

2 案例分析

2.1 冷鐓缺陷

某批次9Cr18鋼制φ9.525 mm成品鋼球的加工工藝為：冷鐓→光磨→淬、回火→硬磨→研磨，該批次鋼球(若干粒)在顯微鏡下100倍檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)約20%產(chǎn)品的表面存在線狀及三叉狀缺陷。

2.1.1 掃描電鏡觀察及能譜分析

從該批次鋼球中任取2粒，采用JSM-6380LV掃描電鏡分別對鋼球表面所標(biāo)注含有缺陷的區(qū)域進(jìn)行變倍觀察，之后再采用EDS能譜儀對缺陷部位成分進(jìn)行分析，結(jié)果表明：2粒鋼球表面的缺陷均呈現(xiàn)為三叉狀，暗灰色；高倍下觀察缺陷內(nèi)材料較為疏松(圖1)，其成分中的異常元素主要為氧和微量的鈣，表明該灰色異物主要為氧化物(圖2)。

圖1 鋼球表面缺陷形貌

圖2 鋼球表面缺陷能譜分析曲線

2.1.2 金相檢驗(yàn)

(1)缺陷長度

在顯微鏡下觀察缺陷并測量其長度,2粒鋼球分別為0.13 mm和0.85 mm。

(2)缺陷的剖面形貌

將1#鋼球垂直于表面缺陷剖開，其形貌如圖3所示，剖面上的缺陷深度為0.63 mm；用4%硝酸酒精溶液腐蝕后發(fā)現(xiàn)缺陷呈現(xiàn)為灰色,不連貫，兩側(cè)有明顯的脫碳現(xiàn)象(圖4)，說明鋼球的表面缺陷產(chǎn)生于淬回火工序之前。

鋼球的淬回火組織為2級(jí)，符合JB/T 1460—2011《滾動(dòng)軸承 高碳鉻不銹鋼軸承零件 熱處理技術(shù)條件》要求。

圖3 1#鋼球表面缺陷剖面形貌

圖4 鋼球剖面缺陷局部放大形貌

(3)毛坯球金相檢驗(yàn)

取與該批次產(chǎn)品同批的毛坯球3粒(經(jīng)過熱酸洗)，觀察發(fā)現(xiàn)赤道上均存在沿軸向的裂口(圖5)，取其中一粒沿赤道剖開進(jìn)行金相檢驗(yàn)后確定：裂紋呈現(xiàn)為喇叭口狀，自表面開裂并向內(nèi)部擴(kuò)展，深度約0.55 mm(圖6)；主裂紋兩側(cè)未見脫碳，其右下方存在多條微細(xì)裂紋，深度約0.07 mm(圖7)。

圖5 毛坯球熱酸洗后赤道開裂形貌

圖6 毛坯球裂紋剖面形貌

圖7 毛坯球裂紋底部微裂紋形貌

2.1.3 熱酸洗檢驗(yàn)

將該批次的其中4粒鋼球按照J(rèn)B/T 1460—2011進(jìn)行熱酸洗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)每粒鋼球的赤道附近都存在一處與軸向呈約45°夾角的短線狀或三叉狀缺陷(圖8)，說明缺陷的分布有一定的規(guī)律，與原材料無直接關(guān)系。

圖8 鋼球表面缺陷形貌(熱酸洗后)

2.1.4 結(jié)果分析

根據(jù)掃描電鏡變倍觀察、能譜分析、熱酸洗以及金相組織檢驗(yàn)的結(jié)果認(rèn)為，鋼球表面上的線狀及三叉狀缺陷形成于熱處理工序之前，是在冷鐓過程中形成的。毛坯球的表面裂紋，尤其是微細(xì)裂紋在磨削及熱處理過程中很容易擴(kuò)展加深，這也是造成成品鋼球表面存在疑似裂紋缺陷的主要原因。

2.2 軟磨擠傷

送檢的3粒GCr15鋼制φ17.70 mm成品鋼球表面上均發(fā)現(xiàn)有黑點(diǎn)存在，形狀為橢圓形(圖9)。該規(guī)格鋼球軟磨0.25 mm后，經(jīng)熱處理，然后精磨0.05 mm，精磨后有0.23 mm的留量。

圖9 鋼球表面缺陷宏觀形貌

2.2.1 掃描電鏡分析

在3粒鋼球中隨機(jī)抽取其中1粒，用超聲波清洗機(jī)將其表面清洗干凈，烘干后放置在JSM6380LV掃描電子顯微鏡中對缺陷部位進(jìn)行變倍觀察，發(fā)現(xiàn)缺陷較淺，邊緣比較清晰平整，初步判斷該缺陷由外來較硬的異物顆粒墊傷造成(圖10)。將缺陷放大觀察還發(fā)現(xiàn)缺陷區(qū)域內(nèi)存在有若干的塊狀小缺陷，邊界自然，呈現(xiàn)為腐蝕形貌，推測這些微小腐蝕坑是在缺陷形成以后，在熱處理或熱處理之后工序形成的。采用EDS7582型能譜儀對鋼球的缺陷部位和正常部位進(jìn)行微區(qū)成分分析比較，發(fā)現(xiàn)缺陷內(nèi)存在有微量的硫元素，其能譜曲線如圖11所示。

圖10 鋼球表面缺陷形貌

圖11 鋼球表面缺陷處微區(qū)成分能譜分析曲線

2.2.2 金相分析

在剩下的2粒鋼球中任取1粒，用磨樣機(jī)磨拋光至拋面圓周與缺陷處相切，制備成金相試樣，用濃度為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后放置在顯微鏡上，按照J(rèn)B/T 1255—2001《滾動(dòng)軸承 高碳鉻軸承鋼零件 熱處理技術(shù)條件》要求對送檢鋼球的淬回火組織進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)級(jí)，并對缺陷部位微觀形貌進(jìn)行觀察測量，鋼球的淬回火組織如圖12所示，表面缺陷的剖面形貌如圖13所示，正常表面和缺陷周圍均存在增碳現(xiàn)象(圖14、圖15)，增碳層約0.03mm。檢驗(yàn)結(jié)果見表2，由表2可知：鋼球的淬回火組織符合標(biāo)準(zhǔn)要求，為合格；鋼球表面缺陷在熱處理工序之前產(chǎn)生。

圖12 鋼球淬回火組織

圖13 鋼球表面缺陷的剖面形貌(未腐蝕)

圖15 鋼球缺陷部位邊緣滲碳層(剖面)

表2 金相組織分析結(jié)果

2.2.3 熱酸洗檢查

將剩余的2粒鋼球放置在濃度為50%的鹽酸水溶液中，加熱至60～70 ℃，保溫30 min，取出清洗后進(jìn)行低倍觀察，如圖16所示。

圖16 熱酸洗后鋼球表面缺陷形貌

經(jīng)觀察后發(fā)現(xiàn)，一粒鋼球表面的缺陷處于極的附近，但并未沿極邊緣分布且與極有一定的距離；另一粒鋼球表面缺陷位于赤道附近。2粒鋼球缺陷部位的顏色和正常部位的顏色一致，從外觀上看是一個(gè)極小的凹坑，坑底清晰可見。

2.2.4 結(jié)果分析

鋼球經(jīng)過酸洗后發(fā)現(xiàn)，缺陷在鋼球表面呈隨機(jī)分布狀態(tài)，可以排除因冷沖壓過程造成的可能性；結(jié)合金相分析的結(jié)果——鋼球正常面邊緣與缺陷周圍都存在有一定深度的滲碳層，由此可以確定，鋼球表面缺陷是在熱處理前的軟磨過程中造成的硬顆粒擠傷。

3 結(jié)束語

成品鋼球的每個(gè)批次數(shù)量都較大，在成品檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)表面缺陷也在所難免。如果是個(gè)案，應(yīng)屬于偶發(fā)，挑選出廢品即可；但對于有一定比例的表面缺陷則需要制定出合理的分析方案，盡快找到導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生的確切原因，并提出應(yīng)對措施。一方面可以妥善處理本批次產(chǎn)品便于質(zhì)量管理；另一方面也有利于總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，以防止類似質(zhì)量問題再次發(fā)生，保證鋼球成品合格率。