四列圓柱滾子軸承外圈淬火開裂原因分析及改進措施

賈玉鑫，單瓊飛，李檢貴，康風波

1.洛陽軸承研究所有限公司 河南洛陽 471039

2.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟 河南洛陽 471039

某廠家委托我公司熱處理的軸承為四列圓柱滾子軸承，此類軸承能同時承受較大徑向和軸向雙向載荷，被廣泛應用于重載工況場合。軸承外圈的外形尺寸為φ300mm×φ278mm×96mm，所用材料為GCr15鋼，加工工序為：鍛造→退火→車加工→鉆孔→淬火→回火。在鹽淬馬氏體等溫淬火、回火之后，加工時發(fā)現(xiàn)多件外圈油孔處出現(xiàn)貫穿裂紋。該批次共800件左右，經(jīng)無損檢測發(fā)現(xiàn)其中有裂紋的數(shù)量70件左右。為避免再次產(chǎn)生批次性產(chǎn)品報廢，對軸承外圈產(chǎn)生裂紋的原因進行分析。

1 熱處理工藝

該軸承外圈淬火、回火工藝路線：淬火→風冷→清洗→量形→整形→回火。具體工藝曲線如圖1所示。鹽淬后風冷至50℃以下進行清洗。此工藝已固化，該批次產(chǎn)品生產(chǎn)期間并無調(diào)整，操作人員嚴格執(zhí)行，并且沒有發(fā)現(xiàn)淬火、回火設備及工藝異常。每爐次裝爐量80件左右，此批產(chǎn)品共計10爐次，量形過程中發(fā)現(xiàn)該批產(chǎn)品變形較大，變形量在0.6~ 1.0mm的產(chǎn)品占比45%，變形量在1.0~1.5mm的占比30%。整形方法為采用頂子進行校正，并回火穩(wěn)定。

圖1 軸承外圈熱處理工藝曲線

2 理化檢驗

2.1 斷口分析

軸承外圈裂紋宏觀形貌如圖2所示。將軸承外圈施加外力，套圈沿油孔發(fā)生開裂，觀察套圈的斷口可以看出，斷口為兩種顏色，一次斷口為深灰色，二次斷口為淺灰色，裂紋起源于擋邊內(nèi)徑與油孔的交角處，并向溝道面擴展，如圖3所示。

圖2 外圈裂紋宏觀形貌

圖3 外圈裂紋斷口形貌

2.2 化學成分分析

在軸承套圈裂紋處進行取樣，將試樣的切割面打磨平后，放置在SPECTOR M9型直讀光譜儀上進行化學成分檢驗，結(jié)果見表1。由檢測結(jié)果可知，軸承套圈材料為GCr15鋼，符合GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》規(guī)定要求。

表1 外圈材料化學成分檢驗結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)） （%）

2.3 硬度檢測

采用HR-150A洛氏硬度計（載荷為1500N）測試軸承外圈端面的硬度，并按照JB/T 1255—2014《滾動軸承高碳鉻軸承零件熱處理技術(shù)條件》評定，測試結(jié)果見表2，符合標準要求。

表2 外圈硬度測試結(jié)果（HRC）

2.4 金相檢查

觀察發(fā)現(xiàn)：油孔內(nèi)徑面較為粗糙，油孔與擋邊交角處較尖銳，周圍未見明顯夾雜物。將外圈裂紋處切割磨制成的金相試樣采用4%硝酸酒精溶液腐蝕后，放置在AXIO型顯微鏡下進行檢驗，具體結(jié)果見表3。

表3 外圈金相檢驗結(jié)果

檢驗發(fā)現(xiàn)：①外圈內(nèi)徑及油孔處均有不同程度的增碳，油孔邊增碳深度約為0.08mm。②擋邊內(nèi)徑與油孔交角處增碳深度最大，為0.10mm，如圖4所示。③依據(jù)JB/T 1255—2014評定，外圈的淬火、回火組織結(jié)果為：馬氏體組織3級，屈氏體組織1級，網(wǎng)狀碳化物2級，符合相關(guān)標準要求。參照G B/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》規(guī)定對其晶粒度進行金相檢驗，評定為8~9級，如圖5所示。

圖4 內(nèi)徑擋邊與油孔交角處增碳形貌

圖5 外圈晶粒度

3 結(jié)果分析與討論

淬火裂紋是零件淬火過程中由于所產(chǎn)生的內(nèi)應力大于材料斷裂強度而產(chǎn)生的脆性開裂，內(nèi)應力包含組織轉(zhuǎn)變應力和淬火冷卻熱應力，是造成淬火裂紋的本質(zhì)因素[1]。結(jié)合上述檢驗結(jié)果，作出以下分析。

1）由以上的硬度、淬回火組織、晶粒度級別及其細瓷狀斷口可見，該套圈的熱處理質(zhì)量符合現(xiàn)行標準要求。

2）該外圈經(jīng)過管材車削和鉆孔后，較深且尖銳的車刀紋極易產(chǎn)生應力集中，在淬火時產(chǎn)生淬火應力開裂，且主要產(chǎn)生于套圈油溝及油孔等位置[2]。

3）產(chǎn)品批量性的變形，且變形量較大，在整形過程中會增大應力集中。

4）該產(chǎn)品在熱處理過程中，由于可控氣氛碳勢偏高，因此導致?lián)踹厓?nèi)徑與油孔交角處發(fā)生增碳效應，在該處形成了較大的應力集中。因油孔直徑加工量較大、周圍存在不對稱結(jié)構(gòu)（見圖6），所以致使油孔周圍的應力分布不均勻，在油孔較薄的位置增碳，脆性增大，當應力集中超過材料的強度時就產(chǎn)生了沿孔邊開裂現(xiàn)象。此外，同爐次套裝的其他沒有油孔的產(chǎn)品，并沒有發(fā)現(xiàn)此類現(xiàn)象，說明產(chǎn)生裂紋與工藝、設備無直接關(guān)系。

因此，油孔直徑加工量較大、粗糙且不對稱和油孔應力集中是導致該型軸承外圈產(chǎn)生裂紋的主要原因。

圖6 油孔周圍不對稱形貌

4 結(jié)論及改進措施

1）該型軸承外圈油孔直徑較大、表面粗糙且不對稱，以及油孔應力集中是導致其在熱處理過程中產(chǎn)生裂紋的主要原因。

2）該類型產(chǎn)品油孔一定要加工規(guī)范，并進行倒角處理。

3）熱處理過程中允許出現(xiàn)標準要求內(nèi)的脫貧碳層，但盡量避免增碳現(xiàn)象的發(fā)生。