軸承滲碳鋼滾子支柱孔表面磁痕的產(chǎn)生原因

高秋然,劉璐瑤,李慶林,馬明陽(yáng),梁 華

(洛陽(yáng)軸承研究所有限公司 制造服務(wù)事業(yè)部，洛陽(yáng) 471039)

滾子是軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)承受負(fù)載的零件，也是軸承中最薄弱的零件之一，滾子的質(zhì)量對(duì)軸承的旋轉(zhuǎn)精度、振動(dòng)、噪聲以及靈活性等都有較大影響。滾子的種類較多，有圓柱滾子、圓錐滾子、球面滾子、螺旋滾子、支柱孔滾子和各類滾針等，其中支柱孔滾子中心帶通孔，該通孔用來安裝支柱，以便將滾子固定在片狀支柱保持架上。該類型滾子形狀有圓柱型、圓錐型和球面型等，主要用于制作大型軸承。

滲碳軸承鋼具有切削性能、冷加工性能、耐沖擊性能、耐磨性能良好以及接觸壽命高等優(yōu)點(diǎn)，用于制造承受較大沖擊負(fù)荷的軸承，如軋機(jī)、重型車輛、鐵路機(jī)車、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、礦山機(jī)械的軸承等。用滲碳鋼制作的軸承，除表面具有較高的硬度、疲勞強(qiáng)度和良好的尺寸穩(wěn)定性外，軸承內(nèi)部還具有較高的韌性[1]。

某公司在對(duì)一批成品滾子進(jìn)行無損檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分滾子支柱孔內(nèi)存在不同程度的磁痕，聚磁線沿軸向分布。該批滾子原材料(直徑為60 mm)為G20Cr2Ni4鋼。成品滾子的規(guī)格(直徑×長(zhǎng)度)為56 mm×104.5 mm，內(nèi)部支柱的直徑為18 mm，其宏觀形貌如圖1所示。成品滾子的滲碳層深度不小于3 mm。為確定磁痕產(chǎn)生的原因，對(duì)送檢的兩個(gè)有異常磁痕分布的滾子進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)，以避免該類問題再次發(fā)生。

圖1 成品滾子的宏觀形貌

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

將滾子沿裂紋打開后進(jìn)行宏觀觀察，結(jié)果如圖2所示，可見整個(gè)斷口平齊，呈銀灰色細(xì)瓷狀；裂紋源為一條微細(xì)裂紋，沿軸向分布，位于外徑和內(nèi)徑的中部，并靠近一側(cè)端面向四周擴(kuò)展。

圖2 滾子斷口的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

采用SPECTRO M9型直讀光譜儀對(duì)滾子的表面和心部進(jìn)行化學(xué)成分分析，其中滾子表面碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.807%，心部材料的化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示?？梢姖L子表面的碳元素含量符合JB/T 8881—2011 《滾動(dòng)軸承 零件滲碳熱處理 技術(shù)條件》的要求(碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于0.80%)，滾子心部的化學(xué)成分符合GB/T 3203—2016 《滲碳軸承鋼》的要求。

表1 滾子心部材料的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 金相檢驗(yàn)

采用線切割的方法對(duì)其中一個(gè)滾子進(jìn)行切割，然后對(duì)截面處的裂紋進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：滾子內(nèi)部存在裂紋，裂紋分布在內(nèi)徑、外徑及端面之間，橫截面呈輻射狀，沿縱向發(fā)生開裂；裂紋起源于內(nèi)徑和外徑之間的中部位置，向內(nèi)徑、外徑及兩端面擴(kuò)展；裂紋長(zhǎng)度約為15 mm，與內(nèi)徑、外徑及端面的距離分別為2.04，2.40，1.94 mm。

圖3 滾子截面處裂紋的宏觀形貌

將試樣截面磨制后，放置在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，可見裂紋主要沿晶界擴(kuò)展，呈斷續(xù)狀分布，裂紋兩側(cè)無夾雜、脫碳等異?，F(xiàn)象(見圖4)。

圖4 滾子截面處的顯微組織形貌

依據(jù)GB/T 3203—2016對(duì)滾子的原材料進(jìn)行非金屬夾雜物評(píng)級(jí)，結(jié)果如表2所示；依據(jù)JB/T 8881—2011對(duì)滾子熱處理淬回火組織進(jìn)行評(píng)級(jí)，結(jié)果如表3所示，可見滾子的原材料和熱處理淬回火組織均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 滾子原材料的非金屬夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果 級(jí)

表3 滾子熱處理淬回火組織的評(píng)級(jí)結(jié)果 級(jí)

1.4 硬度測(cè)試

對(duì)滾子的滲碳層剖面進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果如表4所示，可見表面至58 HRC的距離占總硬化層深度的41.1%，符合技術(shù)要求(不小于40%)。對(duì)滾子的表面和心部進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果如表5所示，可見滾子表面和心部的硬度均符合技術(shù)要求。

表4 滾子滲碳層剖面的硬度測(cè)試結(jié)果 HRC

表5 滾子表面和心部的硬度測(cè)試結(jié)果 HRC

1.5 低倍組織檢驗(yàn)

將金相檢驗(yàn)后的試樣進(jìn)行冷加工處理，然后按照GB/T 3203—2016的要求進(jìn)行低倍組織檢驗(yàn)，結(jié)果如表6所示，可見試樣的低倍組織均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 滾子的低倍組織檢驗(yàn)結(jié)果 級(jí)

1.6 掃描電鏡(SEM)及能譜分析

將滾子斷口經(jīng)超聲清洗、烘干后，用SEM進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：裂紋源區(qū)有一條內(nèi)壁疏松的細(xì)線狀缺陷，長(zhǎng)度為3.694 mm，缺陷內(nèi)物質(zhì)為顆粒狀，形貌自然；缺陷外斷口呈脆性斷裂，以缺陷為中心向四周擴(kuò)展。

采用能譜儀對(duì)缺陷內(nèi)及周圍物質(zhì)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)缺陷內(nèi)主要含有氧、鋁、鐵、鎳等元素(見圖6)，缺陷周圍正常斷口處主要含有鐵、碳、鎳、鉻等元素。

圖6 缺陷內(nèi)物質(zhì)的能譜分析結(jié)果

2 綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)分析結(jié)果可知：送檢滾子內(nèi)部均存在裂紋，裂紋源位于滾子內(nèi)徑與外徑之間的中部位置，裂紋源為一條長(zhǎng)度為3.694 mm的線狀缺陷。根據(jù)缺陷的形貌及化學(xué)成分推測(cè)，該線狀缺陷是鋼材冶煉過程中形成的針孔狀缺陷，是深層皮下氣泡造成的，即發(fā)紋。

發(fā)紋是一種原材料缺陷，是鋼中的非金屬夾雜物或氣孔在軋制或拉拔過程中，隨金屬變形伸長(zhǎng)而形成的[2-3]。發(fā)紋經(jīng)常出現(xiàn)在棒料或鍛件的表面，一般為連續(xù)或斷續(xù)的直線，發(fā)紋距表面的深度越大，尖端曲率半徑越小，材料越容易產(chǎn)生應(yīng)力集中[4]。

滲碳鋼經(jīng)淬火后，表面為壓應(yīng)力，心部為拉應(yīng)力。滾子心部存在裂紋源，在淬火瞬間形成了強(qiáng)大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋源失穩(wěn)擴(kuò)展，發(fā)展成內(nèi)部開裂或斷裂。滾子開裂面沒有穿過滲碳層的原因?yàn)椋寒?dāng)內(nèi)部開裂擴(kuò)展至滲碳層時(shí)，心部拉應(yīng)力已經(jīng)在很大程度上被釋放，裂紋失去了擴(kuò)展的動(dòng)力條件；表面滲碳層呈壓應(yīng)力狀態(tài)，阻止了裂紋擴(kuò)展；滲碳層硬度和強(qiáng)度都很高，不易開裂。在滲碳淬火以及二次淬火時(shí)，材料內(nèi)部產(chǎn)生了較大的應(yīng)力，導(dǎo)致滾子內(nèi)部的發(fā)紋擴(kuò)展，最終滾子發(fā)生開裂[5-6]。

3 結(jié)論與建議

送檢滾子內(nèi)部存在發(fā)紋缺陷，在滲碳鋼特殊的淬火應(yīng)力下，發(fā)紋擴(kuò)展，導(dǎo)致滾子發(fā)生開裂，在無損檢測(cè)時(shí)形成磁痕。對(duì)于大尺寸、熱處理工藝較為復(fù)雜的滾子，建議選用高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，加強(qiáng)原材料檢驗(yàn)，以避免淬火時(shí)產(chǎn)生內(nèi)部裂紋。