賈玉鑫，單瓊飛，李檢貴，康風(fēng)波

1.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司 河南洛陽(yáng) 471039

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

某廠(chǎng)家委托我公司熱處理的軸承為四列圓柱滾子軸承，此類(lèi)軸承能同時(shí)承受較大徑向和軸向雙向載荷，被廣泛應(yīng)用于重載工況場(chǎng)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?yàn)椋哄懺臁嘶稹?chē)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(shí)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(wú)損檢測(cè)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(bào)廢，對(duì)軸承外圈產(chǎn)生裂紋的原因進(jìn)行分析。

1 熱處理工藝

該軸承外圈淬火、回火工藝路線(xiàn)：淬火→風(fēng)冷→清洗→量形→整形→回火。具體工藝曲線(xiàn)如圖1所示。鹽淬后風(fēng)冷至50℃以下進(jìn)行清洗。此工藝已固化，該批次產(chǎn)品生產(chǎn)期間并無(wú)調(diào)整，操作人員嚴(yán)格執(zhí)行，并且沒(méi)有發(fā)現(xiàn)淬火、回火設(shè)備及工藝異常。每爐次裝爐量80件左右，此批產(chǎn)品共計(jì)10爐次，量形過(guò)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(jìn)行校正，并回火穩(wěn)定。

圖1 軸承外圈熱處理工藝曲線(xiàn)

2 理化檢驗(yàn)

2.1 斷口分析

軸承外圈裂紋宏觀(guān)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(kāi)裂，觀(guān)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(kuò)展，如圖3所示。

圖2 外圈裂紋宏觀(guān)形貌

圖3 外圈裂紋斷口形貌

2.2 化學(xué)成分分析

在軸承套圈裂紋處進(jìn)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(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。由檢測(cè)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(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.3 硬度檢測(cè)

采用HR-150A洛氏硬度計(jì)（載荷為1500N）測(cè)試軸承外圈端面的硬度，并按照J(rèn)B/T 1255—2014《滾動(dòng)軸承高碳鉻軸承零件熱處理技術(shù)條件》評(píng)定，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 外圈硬度測(cè)試結(jié)果（HRC）

2.4 金相檢查

觀(guān)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?chē)匆?jiàn)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(jìn)行檢驗(yàn)，具體結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 外圈金相檢驗(yàn)結(jié)果

檢驗(yàn)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(píng)定，外圈的淬火、回火組織結(jié)果為：馬氏體組織3級(jí)，屈氏體組織1級(jí)，網(wǎng)狀碳化物2級(jí)，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。參照G B/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》規(guī)定對(duì)其晶粒度進(jìn)行金相檢驗(yàn)，評(píng)定為8~9級(jí)，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(guò)程中由于所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力大于材料斷裂強(qiáng)度而產(chǎn)生的脆性開(kāi)裂，內(nèi)應(yīng)力包含組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力和淬火冷卻熱應(yīng)力，是造成淬火裂紋的本質(zhì)因素[1]。結(jié)合上述檢驗(yàn)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(jí)別及其細(xì)瓷狀斷口可見(jiàn)，該套圈的熱處理質(zhì)量符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）該外圈經(jīng)過(guò)管材車(chē)削和鉆孔后，較深且尖銳的車(chē)刀紋極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在淬火時(shí)產(chǎn)生淬火應(yīng)力開(kāi)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(guò)程中會(huì)增大應(yīng)力集中。

4）該產(chǎn)品在熱處理過(guò)程中，由于可控氣氛碳勢(shì)偏高，因此導(dǎo)致?lián)踹厓?nèi)徑與油孔交角處發(fā)生增碳效應(yīng)，在該處形成了較大的應(yīng)力集中。因油孔直徑加工量較大、周?chē)嬖诓粚?duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖6），所以致使油孔周?chē)膽?yīng)力分布不均勻，在油孔較薄的位置增碳，脆性增大，當(dāng)應(yīng)力集中超過(guò)材料的強(qiáng)度時(shí)就產(chǎn)生了沿孔邊開(kāi)裂現(xiàn)象。此外，同爐次套裝的其他沒(méi)有油孔的產(chǎn)品，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)此類(lèi)現(xiàn)象，說(shuō)明產(chǎn)生裂紋與工藝、設(shè)備無(wú)直接關(guān)系。

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

圖6 油孔周?chē)粚?duì)稱(chēng)形貌

4 結(jié)論及改進(jìn)措施

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

2）該類(lèi)型產(chǎn)品油孔一定要加工規(guī)范，并進(jìn)行倒角處理。

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