分梳龍帶軸承空心軸裂紋原因及預(yù)防

曹希新，鄒友民，婁經(jīng)松

(湖南長(zhǎng)宏鍋爐科技股份有限公司，湖南 衡陽(yáng) 421007)

0 引言

圖1 分梳龍帶軸承心軸結(jié)構(gòu)

首批試制50套該分梳龍帶軸承，用顯微鏡作常規(guī)檢查溝道時(shí)，發(fā)現(xiàn)有60%的心軸出現(xiàn)了嚴(yán)重裂紋，且裂紋集中出現(xiàn)在圖2中A、B位置。眾所周知，在影響軸承產(chǎn)品質(zhì)量的各種因素中，心軸裂紋是軸承失效的重要原因之一，也是不可修復(fù)的致命缺陷[2]，導(dǎo)致該批心軸大部分報(bào)廢，不僅給企業(yè)造成直接經(jīng)濟(jì)損失，而且給企業(yè)生產(chǎn)管理及一線操作者帶來(lái)了很大壓力。通過(guò)對(duì)軸承制造過(guò)程中出現(xiàn)各種裂紋的形態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)合筆者長(zhǎng)期從事特種軸承加工制造工藝和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)服務(wù)的工作經(jīng)驗(yàn)，并查閱大量相關(guān)資料，總結(jié)出造成該心軸裂紋的原因，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際針對(duì)性進(jìn)行預(yù)防和整改，結(jié)果通過(guò)批量試驗(yàn)，得到有效性確認(rèn)。

圖2 分梳龍帶軸承裂紋位置示意

1 檢測(cè)分析

1.1 視覺查探

HQY3039E型分梳龍帶軸承心軸在超精加工完成后，發(fā)現(xiàn)心軸表面出現(xiàn)細(xì)微裂紋。借助顯微鏡觀察心軸表面裂紋走向，發(fā)現(xiàn)裂紋集中出現(xiàn)在心軸端面A處及心部B處。A處裂紋由心軸倒角處向心軸端面縱向發(fā)展，B處裂紋由心軸銑槽尖角處向心軸軸向及縱深發(fā)展；裂紋大小、深度、長(zhǎng)短不一。將裂紋暴力破壞后，發(fā)現(xiàn)A處顏色較淺，判斷裂紋應(yīng)該是淬火后出現(xiàn)的；而B處裂紋顏色深黑，判斷裂紋應(yīng)該是淬火前或淬火過(guò)程中出現(xiàn)的。

1.2 化學(xué)成分及金相組織分析

HQY3039E型分梳龍帶軸承心軸用GCr15軸承鋼主要質(zhì)量分?jǐn)?shù)：C為1.020 0%，S為0.002 2%，Si為0.253 0%，P為0.009 0%，Cr為1.521 0%，Mn為0.327 0%，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[3]。

觀察HQY3039E型分梳龍帶軸承心軸淬火試樣金相組織，發(fā)現(xiàn)淬火后心軸的顯微組織正常，評(píng)定為3級(jí)，符合機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求[4]。

1.3 硬度測(cè)試

測(cè)試心軸整體硬度為62 HRC～64 HRC，靠近裂紋處硬度為63 HRC，均符合心軸熱處理硬度為61 HRC～65 HRC的技術(shù)要求。

2 原因分析

裂紋是由于材料內(nèi)部應(yīng)力超過(guò)材料強(qiáng)度極限所致，主要為熱應(yīng)力和組織應(yīng)力[5]。熱應(yīng)力是指工件在淬火加熱或冷卻過(guò)程中，因各部位受熱不勻，造成膨脹或收縮不均勻產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力；組織應(yīng)力是指工件淬火冷卻過(guò)程中由于各部位冷卻速度差異，導(dǎo)致鋼件中各組織發(fā)生相變的時(shí)間先后不同而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)材料受到外部應(yīng)力時(shí)，超過(guò)彈性極限產(chǎn)生塑性變形，超過(guò)材料的斷裂強(qiáng)度就會(huì)產(chǎn)生裂紋。

在實(shí)際生產(chǎn)中，常見的裂紋主要有原材料裂紋、零件毛坯車削刀花裂紋及加工尖角裂紋、淬火裂紋和磨削裂紋4種。

2.1 原材料裂紋

原材料裂紋主要是由于原材料存在嚴(yán)重缺陷所致，有兩種情況：① 鋼材在冷軋、冷拉過(guò)程中強(qiáng)度指標(biāo)太低，內(nèi)應(yīng)力超過(guò)強(qiáng)度極限，發(fā)生了局部斷裂，內(nèi)部出現(xiàn)細(xì)微裂紋，嚴(yán)重者肉眼即可看到；② 材料組織中有大塊或連續(xù)分布的非金屬夾雜物、嚴(yán)重的碳化物帶狀偏析等造成原材料組織嚴(yán)重不合格。

2.2 零件毛坯車削刀花裂紋及加工尖角裂紋

零件毛坯車削刀花裂紋及加工尖角裂紋是由于粗加工時(shí)，刀花處應(yīng)力集中，特別是螺紋和深孔加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生相互平行而不連續(xù)的細(xì)小表面裂紋；另外在車、銑加工各類溝槽時(shí)，由于尖角或倒角過(guò)小，溝槽處會(huì)出現(xiàn)較大應(yīng)力集中問(wèn)題，超過(guò)材料強(qiáng)度極限引起裂紋。熱處理時(shí)，由于尖角效應(yīng)裂紋常從溝槽處開始產(chǎn)生。

2.3 淬火裂紋

淬火裂紋是由于在淬火過(guò)程中，應(yīng)力過(guò)大，超過(guò)鋼的斷裂強(qiáng)度極限所致。主要原因有：① 熱處理工藝問(wèn)題，由于淬火溫度過(guò)高或保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致組織過(guò)熱，使淬火后應(yīng)力增大超過(guò)了原材料的斷裂強(qiáng)度極限而發(fā)生過(guò)熱裂紋，通常工件淬火后出爐掉地上即會(huì)斷裂；② 淬火后未及時(shí)回火(一般不超過(guò)1 h)，導(dǎo)致淬火應(yīng)力未得到釋放；③ 工件厚薄不均勻，淬火時(shí)工件厚處未淬硬，致使淬硬層和未淬硬層交界處產(chǎn)生過(guò)大的組織應(yīng)力；④ 淬火介質(zhì)選擇不當(dāng)，冷卻速度過(guò)快或者淬火介質(zhì)不純，淬火油里混有大量水分超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)；⑤ 工件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，如工件橫截面尺寸不均勻，含有易形成應(yīng)力集中的尖角、棱角、溝槽或螺紋孔洞等；⑥ 工件二次淬火裂紋，因?yàn)榻?jīng)過(guò)淬火后的工件一般都處于高應(yīng)力狀態(tài)，組織內(nèi)部的結(jié)構(gòu)缺陷很多，應(yīng)經(jīng)過(guò)高溫回火消除隱患；對(duì)于因過(guò)熱而需進(jìn)行二次淬火的工件，操作工疏忽未按要求執(zhí)行二次淬火工藝，致使工件在更大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的作用下產(chǎn)生二次淬火裂紋。

2.4 磨削裂紋

淬火后的工件在磨削加工過(guò)程中因磨削用砂輪粒度、硬度、磨削速度和進(jìn)給量等工藝參數(shù)選用不當(dāng)，產(chǎn)生大量磨削熱使工件表面溫度急劇升高，在工件表面造成“二次回火”；嚴(yán)重時(shí)，磨削熱甚至使工件表面達(dá)到淬火溫度，在磨削液的冷卻作用下，工件表面形成“二次淬火”，造成表面晶粒粗大，產(chǎn)生大量的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力；工件內(nèi)部的熱處理殘余內(nèi)應(yīng)力與磨削時(shí)產(chǎn)生的磨削應(yīng)力疊加后超過(guò)材料斷裂強(qiáng)度極限，導(dǎo)致磨削表面出現(xiàn)磨削裂紋。該類裂紋特別容易出現(xiàn)在軸承心軸和外圈磨削溝道過(guò)程中，裂紋細(xì)而淺，一般可通過(guò)磨削燒傷試驗(yàn)檢測(cè)。

3 預(yù)防和整改措施

在顯微鏡下觀察HQY3039E型分梳龍帶軸承心軸裂紋形態(tài)，依據(jù)軸承生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)判斷：A處裂紋應(yīng)為磨削裂紋，B處為淬火裂紋。針對(duì)這2種裂紋產(chǎn)生的原因，結(jié)合軸承加工制造過(guò)程，有針對(duì)性地采取以下預(yù)防和整改措施。

3.1 嚴(yán)格控制原材料、毛坯件的采購(gòu)

對(duì)原材料和外購(gòu)毛坯件按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[3]嚴(yán)格檢驗(yàn)，重點(diǎn)檢查化學(xué)成分、硬度及金相組織，對(duì)于不符合標(biāo)準(zhǔn)的原材料和毛坯件堅(jiān)決拒收。

3.2 熱處理工藝控制

提高熱處理操作工的責(zé)任心，嚴(yán)格按照淬火、回火工藝參數(shù)執(zhí)行；嚴(yán)格控制加熱速度、加熱溫度、加熱時(shí)間和冷卻速度，在確保淬火硬度的前提下，對(duì)形狀復(fù)雜、易淬裂的工件應(yīng)采用淬火下限的加熱溫度，并適度降低加熱速度，甚至采用預(yù)熱措施；淬火后1 h內(nèi)應(yīng)及時(shí)回火并適當(dāng)延長(zhǎng)回火時(shí)間，使組織應(yīng)力和熱應(yīng)力得到完全釋放；嚴(yán)格控制淬火冷卻介質(zhì)質(zhì)量，防止淬火油內(nèi)混水，定期更換或部分更換新的淬火油。

3.3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工余量?jī)?yōu)化

設(shè)計(jì)時(shí)，除滿足該工件功能外，還要注意其工藝性能。優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，盡量避免尖的倒角、凹角、溝槽和過(guò)于懸殊的壁厚差。將HQY3039E型分梳龍帶軸承心軸鍵槽根部加圓角過(guò)渡，并合理規(guī)劃磨削加工余量，在確保產(chǎn)品加工精度的基礎(chǔ)上盡可能減少加工余量。

3.4 提高粗加工質(zhì)量

HQY3039E型分梳龍帶軸承心軸為貫通深孔，粗加工采用鉆頭鉆孔時(shí)，表面會(huì)產(chǎn)生螺紋狀不連續(xù)的細(xì)小裂紋，淬火時(shí)極易產(chǎn)生淬火裂紋。因此，鉆孔后需再鉸孔，以提高孔的加工質(zhì)量。

3.5 增加消除應(yīng)力退火

對(duì)于像HQY3039E型分梳龍帶軸承心軸這種形狀復(fù)雜、精度要求較高的零件，在提高車削加工質(zhì)量的前提下，應(yīng)在粗加工與精加工之間，淬火之前進(jìn)行消除應(yīng)力退火工藝。

3.6 磨削加工控制

磨削加工控制措施：① 根據(jù)設(shè)備和工件加工要求，選擇合理的磨削加工工藝參數(shù)，如砂輪磨料、粒度、硬度、磨削速度、進(jìn)給量、冷卻液配方及冷卻方式；② 提高操作者的質(zhì)量意識(shí)，嚴(yán)格按工藝要求磨削，嚴(yán)禁偷漏工序，本次A處裂紋應(yīng)是操作工私自增加進(jìn)給量，將粗、精磨兩道工序合并造成；③ 采用“減少每次進(jìn)給磨削量，多次進(jìn)刀”的方法，增加磨削冷卻液，有效降低工件表面的磨削熱和磨削應(yīng)力，杜絕工件在磨削過(guò)程中產(chǎn)生二次淬火或二次回火問(wèn)題，從而避免磨削裂紋的產(chǎn)生；④ 定時(shí)進(jìn)行磨削燒傷檢查，特別是軸承溝道的磨燒傷試驗(yàn)應(yīng)每班次送檢，以杜絕磨削裂紋的產(chǎn)生。

4 結(jié)語(yǔ)

4.1 在軸承加工、生產(chǎn)過(guò)程中，工件裂紋主要集中出現(xiàn)在熱處理加工和磨削加工兩個(gè)環(huán)節(jié)；淬火裂紋和磨削裂紋造成試制HQY3039E型分梳龍帶軸承心軸批量報(bào)廢。

4.2 通過(guò)嚴(yán)格控制原材料與毛坯件采購(gòu)、熱處理工藝，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工余量，提高粗加工質(zhì)量，增加消除應(yīng)力退火和磨削加工控制等措施后，軸承在制造過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋的問(wèn)題得到了很好的控制，且后續(xù)加工、生產(chǎn)的分梳龍帶軸承無(wú)裂紋再現(xiàn)，軸承裂紋預(yù)防和整改措施的有效性得到確認(rèn)。