閆德，陶慧芳，郝彭，謝二慶

(1. 西北軸承股份有限公司，銀川 750021；2.蘭州大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，蘭州 730000)

G20Cr2Ni4A滲碳鋼常用于制作軋鋼機和承受重載荷沖擊的特大型軸承，但滲碳鋼滾子內(nèi)裂不易發(fā)現(xiàn)，成為產(chǎn)品質(zhì)量的隱患，從而給企業(yè)造成不必要的經(jīng)濟損失，因此十分有必要對滾子內(nèi)裂原因進行分析。滾子內(nèi)裂的常見原因主要有材料本身的缺陷和熱處理工藝不當(dāng)?shù)?。以生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)的一批內(nèi)裂較多的帶支柱孔圓錐滾子為例，分析其內(nèi)裂原因。

1 滾子加工工藝

滾子材料為G20Cr2Ni4A滲碳鋼，并且為電爐鋼，滾子尺寸為Φ63.5 mm×Φ60.919 mm×77.07 mm，內(nèi)孔為20 mm。主要加工路線為：校直鋼棒→車外徑、切斷→細車端面、倒圓角→鉆孔→軟磨外徑→深層滲碳(940 ℃×60 h)→淬火(860～880℃，油溫80～100℃)→高溫回火(680℃×24h，620 ℃×24 h)→二次淬火→低溫回火→粗磨→附加回火(150 ℃)→細磨→精磨→磁粉探傷→終磨→分組→涂油包裝。

2 檢驗與分析

2.1 宏觀觀察

滾子形貌如圖1a所示。經(jīng)磁粉探傷后發(fā)現(xiàn)，外表面無明顯聚磁現(xiàn)象，而支柱孔內(nèi)表面有3處出現(xiàn)明顯聚磁，且聚磁方向均沿滾子的軸向，如圖1b所示。采用線切割的方法將滾子橫向切開，經(jīng)熱酸洗后發(fā)現(xiàn)橫切面上有2條未貫通內(nèi)、外表面的放射狀裂紋，如圖1c所示，說明滾子發(fā)生了內(nèi)裂，開裂面在內(nèi)、外表面之間。由于開裂面距內(nèi)表面較近，漏磁較多，故內(nèi)表面有明顯磁痕；外表面漏磁較少，未發(fā)現(xiàn)明顯聚磁現(xiàn)象。

圖1 滾子形貌及磁粉探傷后內(nèi)表面和橫切面的磁痕

2.2 化學(xué)成分分析

采用德國GVM-1014S原子發(fā)射直讀光譜儀對內(nèi)裂滾子樣品進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。由表1可知，內(nèi)裂滾子化學(xué)成分符合GB 3203—1982《滲碳軸承鋼技術(shù)條件》要求。

表1 內(nèi)裂滾子化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

2.3 非金屬夾雜物檢驗

在內(nèi)裂滾子上取樣，經(jīng)制備后放置在40 MAT蔡司金相顯微鏡下檢驗材料非金屬夾雜物，結(jié)果見表2。由表2可知，滾子材料符合GB 3203—1982對非金屬夾雜物的要求。

表2 滾子材料中非金屬夾雜物 級

2.4 硬度檢測

采用維氏硬度計并按照J(rèn)B/T 8881—2011《滾動軸承零件滲碳熱處理技術(shù)條件》對內(nèi)裂滾子樣品的滲碳層深度、硬度及滲碳層硬度梯度進行檢測，結(jié)果見表3和圖2。檢測結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。

圖2 滲碳層硬度的分布曲線

表3 滾子滲碳層深度和硬度檢測結(jié)果

2.5 金相檢驗

采用40 MAT蔡司金相顯微鏡觀察裂紋，其微觀形貌如圖3所示。由圖3a可知，裂紋主要沿晶界擴展，兩側(cè)及尖端尾部均未發(fā)現(xiàn)夾雜物；由圖3b可知，裂紋中間部分較粗，應(yīng)是裂紋源區(qū)；由圖3c可知，裂紋兩側(cè)未發(fā)現(xiàn)氧化脫碳現(xiàn)象。

圖3 金相顯微鏡下裂紋的微觀形貌

試樣再經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕后，按JB/T 8881—2011檢驗并評定其顯微組織，其結(jié)果見表4和圖4。表層和心部組織均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 試樣顯微組織

表4 滾子表層和心部組織檢驗結(jié)果

2.6 斷口分析

2.6.1 宏觀斷口分析

將樣品沿開裂面打開，使之形成一個完整的斷口，如圖5a所示。經(jīng)仔細觀察發(fā)現(xiàn)，不同滾子的開裂面形貌基本一致，整個斷口平齊，為銀灰色細瓷狀，故取其中一個進行分析。整體上看，斷口最外圍是滲碳層，內(nèi)裂面被局限在外圍堅硬的滲碳層外殼中，并未到達表面。從斷面上可觀察到明顯的人字紋，逆著人字紋的擴展方向可找到裂紋源，大致位于內(nèi)、外表面的中央，距離內(nèi)、外徑表面的距離大致相等，并靠近一側(cè)端面。

仔細觀察裂紋源區(qū)可發(fā)現(xiàn)一條肉眼可見的白色亮紋，亮紋部分的局部放大圖如圖5b所示，亮紋沿軸向呈直線狀，長約3 mm，周圍呈放射條紋狀。因為亮紋存在于裂紋源區(qū)，初步判斷此滾子內(nèi)裂與內(nèi)部存在軸向裂紋源有關(guān)。

圖5 滾子斷口宏觀形貌

2.6.2 微觀斷口分析

為了進一步分析裂紋源區(qū)的亮紋，采用線切割在裂紋源區(qū)取樣，經(jīng)超聲波清洗后，放置在掃描電鏡(JSM-5600LV，SSX-550和Hitachi S4800)下進行觀察。

樣品白色亮紋處的低倍SEM照片(圖6a)顯示亮紋實際長度為5.77 mm。高倍FESEM照片(圖6b)顯示亮紋外斷口形貌為解理狀，亮紋處則為光滑的“流線”形貌，其邊緣外圍斷口形貌為“冰糖塊狀”，證明為沿晶脆斷。高倍觀察發(fā)現(xiàn)亮紋內(nèi)存在大量異物，如圖6c所示。

圖6 長時間超聲波處理后樣品的缺陷形貌

為進一步確定亮紋的性質(zhì)，分別對亮紋內(nèi)基體(即亮紋內(nèi)異物之外的部分)、亮紋外基體及亮紋內(nèi)異物進行能譜分析，如圖7所示。結(jié)果表明，亮紋內(nèi)、外基體的成分基本一致，以鐵和碳為主，不存在元素異常；亮紋內(nèi)夾雜物成分以鋁和氧為主，由此確定異物為不可變形的氧化鋁夾雜。

圖7 樣品缺陷內(nèi)、外的EDS圖

3 結(jié)果分析與討論

根據(jù)文獻[1]的定義——“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的變形伸長而形成的”，認(rèn)定此缺陷為發(fā)紋。發(fā)紋經(jīng)常出現(xiàn)在棒料或鍛件的表面，一般沿金屬顯微方向呈連續(xù)或斷續(xù)的直線[2]。雖然多見于表面，但內(nèi)部發(fā)紋也完全有存在的可能性[3]，并且發(fā)紋距表面深度越深，尖端曲率半徑越小，應(yīng)力集中越大。形成發(fā)紋的非金屬夾雜物可分為可變形的夾雜物和不可變形的夾雜物，一般來說，不可變形的非金屬夾雜物危害更大[4-5]，更容易成為裂紋源。而所觀察到的發(fā)紋就是由不可變形的非金屬夾雜物氧化鋁形成的內(nèi)部發(fā)紋。

根據(jù)GB 3203—1982，G20Cr2Ni4A屬于高級優(yōu)質(zhì)鋼，不允許發(fā)紋存在。然而樣品中卻存在一條5.77 mm的發(fā)紋，且發(fā)紋內(nèi)存在大量非金屬夾雜物氧化鋁。這表明樣品材質(zhì)有嚴(yán)重的冶金缺陷，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

工件的內(nèi)裂往往并非由單一因素導(dǎo)致。對所分析的滾子樣品來說，發(fā)紋是內(nèi)裂的最主要原因，而滲碳鋼在淬火過程中特殊的應(yīng)力是內(nèi)裂的誘因。

滲碳鋼滾子在滲碳之后必須要進行淬火，以增加其硬度和強度。鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度(即Ms點)隨含碳量的升高而降低。由于滲碳層的存在，含碳量在外表面處最高，然后隨著距表面距離的增加而逐漸降低，心部沒有滲碳的地方含碳量最低。相應(yīng)地，心部的Ms點最高，越靠近表面則Ms點越低。由于心部的Ms點最高，淬火時隨著溫度的快速降低，心部首先達到Ms點。故相變時心部首先相變?yōu)轳R氏體，從而產(chǎn)生體積膨脹。而此時內(nèi)、外表面由于Ms點較低，尚未開始相變，由于溫度的降低，體積反而略微變小。這使內(nèi)、外表面產(chǎn)生塑性拉伸，而心部則被塑性壓縮。隨著溫度的進一步降低，馬氏體相變擴展至內(nèi)、外表面區(qū)域，內(nèi)、外表面區(qū)域因轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體而體積膨脹，但卻受到心部已相變區(qū)域的阻礙而使內(nèi)、外表面呈壓應(yīng)力狀態(tài)，而心部已相變區(qū)域則由于內(nèi)、外表面區(qū)域體積的膨脹而呈拉應(yīng)力狀態(tài)。因此，滲碳鋼淬火后的殘余應(yīng)力為：表面壓應(yīng)力，心部拉應(yīng)力[6]。

由于滲碳鋼心部為拉應(yīng)力狀態(tài)，若恰好心部存在裂紋源，則裂紋源很可能會在瞬間強大的拉應(yīng)力作用下失穩(wěn)擴展，發(fā)展成內(nèi)裂或斷裂。對所分析的這批滾子而言，心部均存在或長或短的發(fā)紋，在心部拉應(yīng)力的作用下發(fā)紋兩端會產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致發(fā)紋失穩(wěn)擴展而發(fā)展為內(nèi)裂。

開裂面并沒有穿過滲碳層可能是由于以下原因：(1)當(dāng)內(nèi)裂擴展至滲碳層時，內(nèi)部開裂已經(jīng)在很大程度上釋放了心部拉應(yīng)力，裂紋失去了擴展的動力條件；(2)表面滲碳層呈壓應(yīng)力狀態(tài)，可阻止裂紋擴展；(3)滲碳層硬度和強度都很高，不易開裂。

4 結(jié)論

(1)滾子材料中冶金缺陷的存在——發(fā)紋是其內(nèi)裂的主要原因，發(fā)紋在淬火過程中由于心部拉應(yīng)力的作用導(dǎo)致失穩(wěn)擴展而成為內(nèi)裂。滲碳鋼特殊的淬火應(yīng)力是滾子內(nèi)裂的次要原因。

(2)對于大尺寸滾子，建議選用氧含量低、潔凈度高、無發(fā)紋的電渣重熔鋼，以避免淬火內(nèi)裂的產(chǎn)生。