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轴承知识

KNOWLEDGE

滚动轴承零件常见的淬火裂纹分析与预防

2019-11-22
程彬 马爽 刘传铭
(洛阳轴承研究所有限公司)
  淬回火是使轴承零件提高硬度、强度,获得满意综合力学性能的关键工艺。淬火裂纹是轴承零件在实际生产过程中最常见、最严重的缺陷种类之一。影响淬火裂纹形成的因素众多,轴承零件淬火裂纹的宏观形态也各不相同。掌握各种影响因素的作用,了解轴承零件淬火裂纹形貌规律,对防止淬火裂纹的发生、提高成品率具有重要意义。
轴承淬火裂纹产生原因与应对
  1.轴承零件引起淬火裂纹的主要原因
  轴承零件在淬火过程中由于所产生的内应力大于材料断裂强度而产生的脆性开裂,称为淬火裂纹。内应力包含组织转变应力和淬火冷却热应力,是造成淬火裂纹的本质因素。结合轴承零件生产实际,引起淬火裂纹的原因较复杂,归纳起来包括材料冶金缺陷(严重的非金属夹杂物、缩孔残余、发纹、严重的碳化物偏析等)、零件结构缺陷(零件壁厚差大、油沟和尖锐棱角等)、淬火前工序间缺陷(锻造过烧、冷冲成形应力过大、较深的车刀痕等)和淬火工艺不良(淬火温度过高、冷却不良、表面脱碳、淬火返修工艺不当)等。
  2.轴承零件淬火裂纹的形貌特点及分析方法
  轴承零件淬火裂纹形状很不规则,有的沿横向,有的沿纵向,有的在零件表面呈“S”形或“Y”形,还有的呈龟裂网状。淬火裂纹的深浅也各不相同,但深度远大于磨削烧伤裂纹。观察淬火裂纹断口可以发现断口面往往有油污、水渍及回火色存在,未污染的断口面则是干净的细瓷状。用金相显微镜观察,裂纹呈撕裂状扩展,尾部尖细,一般沿晶界分布。淬火裂纹与锻造裂纹和原材料裂纹主要区别是裂纹两侧无脱碳现象。
  对于轴承零件的淬火裂纹,除上述共性外,还有各自本身特点,举例如下:
  (1)材料冶金缺陷沿轧制方向分布,因此,由于组织疏松和显微孔隙造成的淬火裂纹热酸洗后在套圈、滚子端面和钢球两级呈点状或短线状分布,发纹和严重的碳化物偏析多在零件表面沿轴向分布。某套圈碳化物严重带状偏析组织显露于套圈内径面,造成此处淬火时应力开裂,如图1、图2所示。
 图1 套圈断口裂纹源处碳化物偏析形貌(100×)
 图2 套圈碳化物偏析淬火裂纹

  (2)小尺寸钢球一般采用冷冲压成形。钢球赤道环带处冷冲压时变形量最大,导致此处较高的局部应力形成。当环带被锉削时,又一次受到挤压力,形成较大的磨削应力,因此钢球赤道处在淬火时极易形成有规律的钢球赤道裂纹,如图3所示。
 
图3 钢球赤道淬火裂纹
  (3)轴承套圈形状复杂,截面和壁厚尺寸变化较大。当淬火冷却速度过大时,不同壁厚产生的组织转变应力和淬火冷却热应力也有较大差异,因此在壁厚差较大处易形成贯穿性淬火裂纹和油沟裂纹。
  (4)套圈零件表面较深的划痕、过深的车刀痕和套圈上尖锐的倒角、沟槽等处都易形成尖角处应力集中,在后续淬火中发生开裂,此类淬火裂纹方向与划痕、车刀痕、沟槽方向保持一致。例如,某轴承套圈油孔冲孔后产生的金属毛刺在淬火前没有清除掉,淬火时在此处产生尖角效应发生开裂,如图4所示。轴承零件上因车刀痕过深产生的淬火裂纹呈相互平行的线链状且沿周向分布,如图5所示。
图4 套圈油孔毛刺淬火裂纹
 图5 套圈车刀痕过深产生的淬火裂纹

  (5)由于第一次淬火因某项质量要求不达标,需要进行重新淬火处理,在重新淬火前未消除前次的淬火应力或套圈表面脱贫碳较深,所产生的应力叠加易形成淬火返修裂纹。这种裂纹多呈密集网状或龟裂状,裂纹数量多而深浅不一,裂纹两侧可见脱贫碳,如图6所示。
 图6 滚子淬火返修裂纹
   3.轴承零件淬火裂纹分析方法及预防措施
  淬火裂纹一旦发生,零件将直接报废。及时、准确分析淬火裂纹产生的原因,据此采取有效改进措施,避免淬火裂纹的重复发生,才是废品分析的初衷。对于截面变化大且淬火前又存在较大残余应力的轴承套圈,淬火前进行高温回火或低温退火,对于防止其淬裂产生具有重要作用。冷冲压成形的滚动体不仅存在较大的内应力,且在冲压时可能产生显微裂纹,淬火时易导致开裂。若在淬火前进行去应力退火,对防止淬裂是有效的。具体轴承零件淬火裂纹的分析方法及预防措施如附表所示。
轴承零件淬火裂纹分析方法及预防措施
实例分析
  某公司成品圆锥滚子轴承内圈,材料为GCr15,滚道面存在一条裂纹,大致沿周向分布,如图7所示。要求对送检内圈裂纹产生原因进行分析。
图7 送检圆锥滚子轴承内圈裂纹宏观形貌
  1.金相分析
  将送检轴承内圈纵向切割,磨制抛光腐蚀后放置在金相显微镜上进行检验。结果发现:
  (1)滚道面裂纹与表面垂直,深度约为4.36mm,滚道面脱碳层深度为0.10mm,裂纹两侧未见脱碳,如图8所示。
图8(100×)
  (2)内圈油沟存在严重脱碳,油沟脱碳层深度为0.23mm,如图9所示。
图9 内圈油沟处腐蚀形貌(200×)
  (3)内圈大挡边、小挡边各发现一条裂纹,挡边外径面均存在严重脱碳,裂纹两侧无脱碳,如图10所示。
图10(50×)
  (4)按照GB/T34891—2017标准,送检内圈淬回火后马氏体组织评定为>4级,网状碳化物为1级,淬回火组织如图11所示。
 图11 送检内圈淬回火组织形貌(1000×)
  2.结果分析及结论
  (1)送检轴承内圈网状碳化物符合GB/T34891—2017标准要求;内圈淬回火组织、热处理脱碳层深度及工作面(滚道面)存在脱碳,均不符合GB/T34891—2017标准要求。
  (2)经金相检验,送检轴承内圈油沟处脱碳层深度为0.23mm,内圈滚道面脱碳层深度为0.10mm,故内圈滚道面上热处理产生的脱碳层在后续磨加工中没有去除干净;内圈三处裂纹两侧均无脱碳,因此判定,送检轴承内圈裂纹是由于淬回火组织粗大和表面脱碳层严重超标所导致的淬火裂纹。
结语
  以上实例分析是轴承零件淬火裂纹分析中最常见的一种类型,即淬回火组织粗大和表面脱碳层严重超标双重因素作用引起淬火裂纹。实际生产中轴承零件淬火裂纹的形成,往往是多种因素的相互叠加,更需要相关工作者抽丝剥茧般地准确找出开裂原因。从轴承零件淬火裂纹形貌特征入手,经金相组织分析和热酸洗观察,并辅以必要的工艺情况调查,就可以较快地确定造成裂纹的主要工艺因素,并可以达到改进工艺、指导生产、提高产品质量的目的。
来源:《金属加工(热加工)》杂志
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