梁華 ，王姍姍，仇亞軍，李金菊

(1．洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2．徐州羅特艾德回轉(zhuǎn)支承有限公司，江蘇 徐州 221004)

1 常見缺陷及分析方法

鋼球的加工方式主要分為冷、熱加工，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)?？傮w來說，鋼球表面較常見的缺陷主要有原材料表面裂紋，冷、熱加工折疊，淬火裂紋，砂輪擠傷，腐蝕斑點(diǎn)和軟磨金屬疲勞等，而每種缺陷的形貌特征、微觀金相組織、采用的分析方法及應(yīng)對(duì)措施是不同的，其主要區(qū)別見表1。

表1 鋼球表面缺陷的形貌特征、分析方法及應(yīng)對(duì)措施[1]

根據(jù)鋼球表面缺陷形貌，首先結(jié)合表1對(duì)缺陷種類及分析方法進(jìn)行初步的選擇并進(jìn)行檢驗(yàn)與分析，依據(jù)結(jié)果進(jìn)行綜合判斷，最終確定鋼球表面缺陷的種類及其產(chǎn)生的原因。

2 檢驗(yàn)與分析實(shí)例

某公司送檢4粒GCr15鋼制Φ50 mm成品鋼球，其中1粒為熱酸洗球，其表面布滿尺寸不等的小凹坑缺陷，局部可見彎曲狀細(xì)裂紋；另3粒為成品球，表面光亮，但仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)表面局部存在2 mm左右的小缺陷(圖1和圖2)。據(jù)介紹，該規(guī)格鋼球是在進(jìn)行常規(guī)渦流探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)了異常并確定存在表面缺陷的。為了確定鋼球表面的缺陷性質(zhì)，對(duì)送檢的4粒鋼球進(jìn)行了詳細(xì)分析。

圖1 鋼球(熱酸洗后)表面缺陷形貌

圖2 鋼球表面缺陷形貌(缺陷位于標(biāo)注區(qū)域內(nèi))

2.1 宏觀形貌檢查

將圖2所示鋼球表面標(biāo)注區(qū)域放在放大鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)鋼球表面缺陷均為黑色，大小各異、形狀為點(diǎn)狀或細(xì)線狀，呈隨機(jī)分布。

2.2 掃描電鏡及能譜分析

采用JSM-6380LV掃描電鏡對(duì)圖2所標(biāo)注的鋼球表面的3個(gè)缺陷(分別編號(hào)1#，2#和3#)進(jìn)行變倍觀察(圖3～圖8)。并采用EDS能譜儀對(duì)缺陷部位成分進(jìn)行分析。結(jié)果表明，鋼球表面缺陷形貌各異并呈疏松態(tài)，其中1#缺陷尺寸最大，為572 μm×337 μm。缺陷表面材料成分中的氧含量較高，將缺陷解剖后發(fā)現(xiàn)剖面內(nèi)存在許多微裂紋和灰色異物，能譜分析結(jié)果表明，該灰色異物主要為氧化鐵。

2.3 金相檢驗(yàn)

將鋼球表面1#和2#缺陷(圖3和圖5)的剖面用4%硝酸酒精溶液腐蝕后，放置在金相顯微鏡上對(duì)缺陷底部金相組織進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)缺陷處較疏松，呈弧線或蝶狀，內(nèi)部局部存在細(xì)小的灰色異物，另外底部還存在嚴(yán)重的脫碳現(xiàn)象，其中，1#缺陷深度為0.25 mm(圖9)，2#缺陷剖面形貌如圖10所示。

圖3 鋼球表面1#缺陷形貌

圖4 1#缺陷局部放大形貌

圖5 鋼球表面2#缺陷形貌

圖6 2#缺陷局部放大形貌

圖7 鋼球表面3#缺陷形貌

圖8 3#缺陷放大形貌

圖9 圖3所示1#缺陷的剖面形貌

圖10 圖5所示2#缺陷的剖面形貌

鋼球的淬、回火組織為3級(jí)，網(wǎng)狀碳化物為1級(jí)，屈氏體為2級(jí)(距表面3 mm 以內(nèi))，符合JB/T1255—2001《高碳鉻軸承鋼滾動(dòng)軸承零件熱處理技術(shù)條件》要求。

2.4 熱酸洗檢驗(yàn)

將送檢的另2粒鋼球按照J(rèn)B/T 1255—2001進(jìn)行熱酸洗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋼球表面和兩極上均存在凹坑缺陷，如圖11所示，這說明缺陷是隨機(jī)分布的，與原材料質(zhì)量和軋制狀態(tài)無必然聯(lián)系。

圖11 分布在鋼球兩極的凹坑缺陷

2.5 工藝過程調(diào)查

據(jù)介紹，鋼球的加工工藝過程為：原材料熱軋退火→分裝→軟磨→淬、回火→硬磨→超聲波探傷→研光→渦流探傷。該鋼球生產(chǎn)廠家購進(jìn)的是熱軋退火毛坯球，經(jīng)取樣熱酸洗檢驗(yàn)后進(jìn)行軟磨，總留量約為3 mm，其中光球深度約為2.5 mm。該批鋼球在軟磨前進(jìn)行了分裝，每盒約200 kg，每臺(tái)磨床同時(shí)加工2盒球，為同一個(gè)批次，且直至成品該批次號(hào)均不變。軟磨前對(duì)購進(jìn)的該批次毛坯球進(jìn)行熱酸洗檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)異常，但在渦流探傷時(shí)卻發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)批次的部分鋼球表面存在缺陷，而其余批次鋼球表面均未發(fā)現(xiàn)異常。

根據(jù)工藝過程調(diào)查并結(jié)合熱酸洗的結(jié)果認(rèn)為，鋼球表面缺陷與毛坯球無直接關(guān)系，初步判定缺陷是在后續(xù)加工過程中產(chǎn)生的。

2.6 結(jié)果分析

根據(jù)金相檢驗(yàn)確定缺陷底部存在嚴(yán)重脫貧碳的結(jié)果認(rèn)為，鋼球表面缺陷產(chǎn)生于熱處理淬、回火工序之前，即缺陷是在軟磨工序產(chǎn)生的。

該批次球坯環(huán)帶較大(單邊磨量約為1.25 mm)，當(dāng)光球盤的溝槽鈍化后，由于鋼球在上、下球盤間主要承受往返擠壓、搓揉力的作用，其尺寸消耗很慢，若在此狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間軟磨，鋼球表面會(huì)產(chǎn)生金屬疲勞層(或稱疏松層)，在外觀上表現(xiàn)為黑點(diǎn)、凹坑或細(xì)微的龜裂紋。由于軟磨時(shí)的加工疲勞層較疏松，與基體的結(jié)合能力較差，很容易在隨后的加工過程中剝落，形成麻點(diǎn)或凹坑[2]。另外，由于熱軋鋼球表面存在較多的氧化皮，在光球過程中很容易脫落被壓入金屬疲勞疏松層并遺留在凹坑等缺陷中。該缺陷形成于熱處理工序之前，又較疏松，故很容易脫碳。

結(jié)果認(rèn)為，送檢鋼球表面的凹坑等缺陷屬于軟磨金屬疲勞，形成于熱處理工序之前的光球過程中。建議采取以下預(yù)防措施[3]：

(1)改變機(jī)床工藝參數(shù)。建議采取2次光磨，即先后采用低壓低速、高壓高速、低壓高速和低壓低速進(jìn)行磨削。

(2)保持光球液的潔凈度，并及時(shí)更換切削液，提高切削液的清洗能力，使光球盤溝槽具有較好的“自銳更新”能力；避免因長(zhǎng)時(shí)間加工而導(dǎo)致鋼球表面金屬疲勞。

3 結(jié)束語

在鋼球表面缺陷的分析過程中有幾種缺陷較相似，易造成誤判，如冷、熱加工折疊，砂輪擠傷及軟磨金屬疲勞，這就需要根據(jù)缺陷的外觀形貌、分布狀態(tài)、加工工藝過程以及特有的微觀組織特征等進(jìn)行綜合分析才能準(zhǔn)確定性。