Cr14Mo4V高溫軸承開(kāi)裂分析及熱處理改良

供稿|楊成鑫

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窯車(chē)車(chē)輪裝配的軸承材質(zhì)為Cr14Mo4V模具鋼，是一種含鉬的高速鋼，也是一種應(yīng)用廣泛的高溫軸承鋼，除具一般軸承的特性外，還具有較高的高溫尺寸穩(wěn)定性、高溫硬度、高溫接觸疲勞性能[1]，可長(zhǎng)期在315 °C及以下的溫度使用。德化某陶瓷燒制工廠，其素?zé)G爐在燒制時(shí)，傳送陶瓷制品的窯車(chē)車(chē)輪上的軸承經(jīng)常在工作一段時(shí)間(約半年)后，外圈發(fā)生開(kāi)裂，軸承因此發(fā)生卡死現(xiàn)象，不利于陶瓷坯體的輸送，從而延長(zhǎng)生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)效率，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響陶瓷坯體的燒制質(zhì)量。本篇通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)軸承外圈的冶金質(zhì)量并沒(méi)有問(wèn)題，引起開(kāi)裂是由于抗熱疲勞性能不足造成的。通過(guò)改進(jìn)熱處理工藝，提高其抗熱疲勞性能，可以避免過(guò)早開(kāi)裂，從而保證窯車(chē)軸承長(zhǎng)期穩(wěn)定使用。

中國(guó)瓷都德化以燒制白瓷聞名世界，其白瓷燒制溫度高達(dá)1300 °C，具有白度好、光澤度高、熱穩(wěn)定性強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度大、耐溫、耐壓、耐磨、耐腐蝕、釉色純凈溫潤(rùn)、致密度高、透光度好等理化特色，要獲得如此高性能的白瓷，需要嚴(yán)格把控各個(gè)燒制流程。某工廠在燒制時(shí)，出現(xiàn)窯車(chē)軸承外圈斷裂現(xiàn)象，為避免此類現(xiàn)象發(fā)生，對(duì)開(kāi)裂軸承進(jìn)行研究分析并制定一套有效的熱處理工藝，以保證軸承的正常使用。

化學(xué)成分

Cr14Mo4V模具鋼化學(xué)成分如表1。

表1 Cr14Mo4V高溫軸承鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

開(kāi)裂原因分析

外觀分析

如圖1，從截取的外圈裂紋形貌可以看出：裂紋要么貫穿整個(gè)外圈(圖1中位置1)，要么由外表面向內(nèi)延伸(圖1中位置3和4)，或在臨近外表面的地方向內(nèi)外延伸(圖1中位置2)。由于裂紋是在窯爐中加熱時(shí)發(fā)生開(kāi)裂，且窯車(chē)出爐后對(duì)軸承進(jìn)行清理時(shí)并無(wú)發(fā)現(xiàn)結(jié)焦積碳現(xiàn)象(即高溫潤(rùn)滑油符合使用要求)，也未發(fā)生明顯的變形，由此可以判斷這種斷裂屬于疲勞斷裂，而造成斷裂的主因要么是材質(zhì)不合格，導(dǎo)致抵抗能力不足引起，要么是材質(zhì)合格，但所受應(yīng)力過(guò)大引起。這需要做進(jìn)一步分析。

圖1 外圈裂紋形貌

化學(xué)成分分析

在3個(gè)軸承外圈靠近缺口的部位分別取樣，并放在直讀光譜儀上進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2。

由表2和表1數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)可知，3個(gè)位置的化學(xué)成分均在規(guī)定范圍內(nèi)，所以基本可排除材質(zhì)不合格導(dǎo)致軸承外圈開(kāi)裂的可能。

表2 軸承外圈靠近裂紋部位化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

材質(zhì)合格，軸承外圈開(kāi)裂是所受應(yīng)力過(guò)大引起，這分3種情況：一種是軸承熱處理工藝不達(dá)標(biāo)造成軸承外圈疲勞強(qiáng)度不足而開(kāi)裂；一種是軸承熱處理工藝達(dá)標(biāo)，但載重超過(guò)疲勞強(qiáng)度而引起開(kāi)裂；最后一種，窯車(chē)通過(guò)電動(dòng)牽引進(jìn)入素?zé)G爐中(爐溫690～1020 °C)燒烤4 h[2]，這種長(zhǎng)時(shí)間的加熱，窯車(chē)車(chē)輪和軸承會(huì)受到熱輻射以及熱傳導(dǎo)，軸承溫度升高，即使作為高溫軸承的Cr4Mo4V鋼，如果溫度升高至300～500 °C，其沖擊韌性和彎曲強(qiáng)度都會(huì)逐漸降低[3]，而這將會(huì)造成抗熱疲勞性能下降，在溫度升高的情況下外圈發(fā)生熱膨脹使其配合變松，更容易發(fā)生疲勞斷裂。這里的熱疲勞是指金屬零件在高溫下工作時(shí)，其環(huán)境溫度并不恒定，甚至有時(shí)是急劇反復(fù)變化的，由此造成的膨脹和收縮若受到約束時(shí)，在零件內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力(又稱溫差應(yīng)力)，溫度反復(fù)變化，熱應(yīng)力也隨著反復(fù)變化，從而使材料受到疲勞損傷的現(xiàn)象。以下逐一分析。

硬度分析

材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度。隨機(jī)選取3個(gè)已經(jīng)形成裂紋的軸承外圈進(jìn)行HRC洛氏硬度檢測(cè)，每個(gè)試樣選擇靠近裂紋位置測(cè)量3個(gè)部位，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3的檢驗(yàn)結(jié)果分析可知，軸承外圈的硬度達(dá)標(biāo)即熱處理硬度達(dá)標(biāo)，除了硬度之外的其他力學(xué)性能是否達(dá)到要求，需分析金相。

表3 軸承外圈熱處理后的硬度及標(biāo)準(zhǔn)，HRC

金相分析

通過(guò)顯微鏡看到的金屬材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)即為金相。從圖2可以看出，軸承外圈經(jīng)過(guò)熱處理后的組織晶粒度大致為7～8級(jí)，屬于細(xì)晶粒，顯微組織相對(duì)來(lái)說(shuō)碳化物較粗，其它回火組織較細(xì)，綜合來(lái)看顯微組織良好，加之硬度達(dá)標(biāo)，因此軸承外圈的熱處理工藝是達(dá)標(biāo)的。

圖2 軸承外圈淬火回火后的組織(500倍)

殘余應(yīng)力分析

工件在制造過(guò)程中，受到來(lái)自各種工藝等因素的作用與影響，當(dāng)這些因素消失之后，若構(gòu)件所受到的上述作用與影響不能隨之完全消失，仍有部分作用與影響殘留在構(gòu)件內(nèi)，則這種殘留的作用與影響稱為殘余應(yīng)力，亦稱內(nèi)應(yīng)力。隨機(jī)選取開(kāi)裂的軸承外圈安置在應(yīng)力分析儀上，對(duì)臨近裂紋區(qū)域和其它正常區(qū)域進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)，臨近裂紋區(qū)和正常區(qū)的殘余應(yīng)力分別為1014和598 MPa，則軸承外圈在垂直于外表面的方向上存在明顯的載荷偏載現(xiàn)象，在測(cè)算窯車(chē)并無(wú)過(guò)載的情況下，可以進(jìn)一步判斷軸承外圈斷裂主要是在進(jìn)入窯爐加熱之后，其抗熱疲勞性能降低造成的。另外，由于軸承內(nèi)圈、滾珠及外圈內(nèi)表面受滾珠的滾壓，其疲勞性能比較好，不容易開(kāi)裂；而靠近外圈外表面固定后沒(méi)有滾壓強(qiáng)化，疲勞性能較差，較容易開(kāi)裂，這也解釋了軸承外圈裂紋為何由外表面開(kāi)始擴(kuò)展。為此提出幾種改良方案。

改良方案

窯車(chē)減重

在其它條件沒(méi)有變化的情況下，對(duì)放置在窯車(chē)上的陶瓷坯體數(shù)量進(jìn)行減量，按照1/10依次減量來(lái)逐一查驗(yàn)軸承外圈的殘余應(yīng)力(圖3)，隨著窯車(chē)載重的下降，窯車(chē)軸承外圈的殘余應(yīng)力有所下降，當(dāng)窯車(chē)載重減少2/5后，軸承外圈的殘余應(yīng)力基本不變。因此，為使軸承使用壽命最大化至少要減重2/5，但卻降低生產(chǎn)效率，延長(zhǎng)生產(chǎn)周期，所以此方案不經(jīng)濟(jì)，只做參考。

圖3 窯車(chē)載重減量與軸承外圈殘余應(yīng)力的關(guān)系

熱處理工藝改良

上文分析軸承外圈開(kāi)裂最大的可能是在窯爐內(nèi)受熱之后導(dǎo)致抗熱疲勞性能下降引起的，在保證其他力學(xué)性能符合要求的情況下，通過(guò)改變熱處理工藝達(dá)到提高抗熱疲勞性能，具體改良方案如下。

等溫球化退火

采用等溫球化退火(圖4)可以促進(jìn)鋼中的碳化物顆粒化，使得組織更均勻。另外，890±5 °C的加熱溫度更有利于形成更細(xì)的碳化物，提高軸承的力學(xué)性能，為后續(xù)熱處理做好組織準(zhǔn)備。

圖4 Cr14Mo4V軸承等溫球化退火工藝曲線

淬火

對(duì)于Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于5%的鉻鋼，在保證足夠強(qiáng)度的前提下，指定熱處理工藝時(shí)應(yīng)充分考慮其塑韌性，以獲得較高的抗熱疲勞性能[4]。為了讓Cr14Mo4V軸承獲得較好的塑韌性，首先要讓碳化物在淬火時(shí)盡可能地融入奧氏體中，這樣最后形成的碳化物量較少、顆粒較細(xì)，有助于提高軸承的韌性，要達(dá)到這一步就要升高Cr14Mo4V軸承的淬火加熱溫度，但由圖5可知淬火加熱溫度提高也會(huì)造成殘余奧氏體量的增加和組織晶粒變粗，綜合考慮到殘余奧氏體可由后期的回火進(jìn)行消除，還有組織晶粒在1100 °C之后呈現(xiàn)較快的長(zhǎng)大趨勢(shì)，淬火加熱溫度應(yīng)選擇在1100～1150 °C之間。

圖5 淬火加熱溫度與殘余奧氏體量、碳化物含量及晶粒度的關(guān)系

此外，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)證明：淬火加熱溫度為1120 °C時(shí)出現(xiàn)硬度峰值，且獲得組織為細(xì)針狀馬氏體，所以選擇1120 °C作為淬火加熱溫度。

回火

回火作為軸承熱處理的最后一道熱處理工藝，具有很重要的意義。首先，在滿足獲得高強(qiáng)度的前提下降低軸承的殘余應(yīng)力；其次，為了提高軸承的抗熱疲勞性能，最后形成的組織應(yīng)該含有體積分?jǐn)?shù)接近15%的殘余奧氏體，因此需要控制好回火溫度和保溫時(shí)間，它們的關(guān)系如圖6。

從圖6分析可知，想要讓殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)降至15%左右，軸承回火溫度必須先加熱至520 °C左右保溫大致0.5 h再出爐空冷。另外，為了更徹底地消除淬火應(yīng)力，可在520 °C回火后進(jìn)行一次較低溫度的回火，回火溫度可設(shè)定為450 °C保溫1 h。

圖6 殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)與回火溫度及保溫時(shí)間的關(guān)系

綜上所述，Cr14Mo4V軸承淬火和回火工藝操作如圖7所示，最后獲得的殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)大致13%～17%，符合軸承的要求。

圖7 Cr14Mo4V軸承淬火和回火工藝曲線

結(jié)語(yǔ)

(1)金屬零件在高溫條件下工作時(shí)，其環(huán)境溫度并不恒定，甚至有時(shí)是急劇反復(fù)變化的，由此造成的膨脹和收縮若受到約束時(shí)，在零件內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力(又稱溫差應(yīng)力)，溫度反復(fù)變化，熱應(yīng)力也隨著反復(fù)變化，從而使材料受到疲勞損傷，即所謂熱疲勞。

(2)造成Cr14Mo4V軸承外圈斷裂的主因是窯車(chē)進(jìn)入窯爐加熱時(shí)抗熱疲勞性能變差所致，這主要是由于環(huán)境溫度梯度及變化頻率變大，且軸承本身塑性較差造成的。

(3)通過(guò)降低窯車(chē)載重來(lái)保證軸承不發(fā)生開(kāi)裂的方法不經(jīng)濟(jì)。

(4)改良后的熱處理方案可以提高軸承的殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)至15%左右，提高其塑韌性以提高抗熱疲勞性能，殘余奧氏體形成的殘余壓應(yīng)力有助于延長(zhǎng)疲勞壽命[5]；

(5)熱處理改良后的Cr14Mo4V軸承使用壽命都達(dá)1 a以上，暫未發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂情況，改良方案得到廠方認(rèn)可。