軸承套圈端面缺陷分析方法探討

郭浩，梁華，王正德，李少亮，王浩

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.浙江健力股份有限公司，浙江 諸暨 311800)

隨著科學技術、節能環保的快速發展，主機對軸承的使用條件要求越來越苛刻，如高溫、高速、重載、強磁等，對軸承的性能要求也越來越高，如高可靠性、長壽命等。套圈端面缺陷嚴重影響軸承的使用壽命和加工成本，若成品套圈端面存在裂紋缺陷，使用過程中易在缺陷處開裂而造成斷裂失效，甚至導致重大事故。因此，需進行套圈端面缺陷的研究。文獻[1]對軸承鋼環件軋制端面凹坑及折疊缺陷進行研究，認為合理分配徑向和軸向軋制力可以減少端面折疊缺陷；文獻[2]對軸承內圈端面塊狀物缺陷進行分析，認為塊狀物缺陷由材料中的非金屬夾雜物造成；文獻[3]對軸承內圈端面磁痕缺陷進行分析，認為其屬于材料冶金缺陷。然而，以上研究過于單一，沒有系統歸納套圈端面缺陷種類及分析方法。因此，下文總結了套圈端面常見的缺陷種類，歸納了套圈端面缺陷的分析思路及方法。

1 缺陷類型及分析方法

1.1 套圈端面的常見缺陷

套圈端面比較常見的缺陷主要有：鍛造折疊裂紋、冷輾擴裂紋、磨削燒傷及裂紋、淬火裂紋、材料發紋及夾渣等，其宏觀形貌特征、微觀金相組織、產生原因及分析方法見表1[4]。

1.2 分析步驟

拍攝缺陷軸承的照片，觀察缺陷的宏觀形貌，結合表1對缺陷種類及分析方法進行初步判定；確定缺陷的切剖部位和方向，制備金相試樣進行檢驗與分析；根據分析的進展程度和實際需要選擇掃描電鏡、能譜儀等進行微觀特征觀察和分析；進行綜合評判，確定套圈端面缺陷的類型及其產生原因。

表1 套圈端面缺陷的特征、產生原因及分析方法

2 實例分析

某公司生產的軸承套圈，其材料為GCr15鋼，加工工序為：熱鍛退火件→車加工→熱處理→磨加工→裝配。在成品裝配時發現內圈端面上有黑色弧狀缺陷，其宏觀形貌如圖1所示。

圖1 成品軸承缺陷(標記處)

2.1 金相分析

將成品軸承拆套后，用線切割在內圈缺陷部位取樣，并將其縱向剖面制成金相觀察面，在光學顯微鏡下觀察缺陷部位形貌，缺陷寬0.55 mm,深1.2 mm。按照JB/T 1255—2001《高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件 熱處理技術條件》對金相組織進行觀測和評級，淬回火組織為3級，網狀碳化物為1級。觀察發現，缺陷呈深灰色，由端面沿軸向延伸，且具有一定的寬度，內部分布有大小不等的塊狀灰色異物，在缺陷下方的基體中也有大量塊狀或點狀分布的異物(圖2)，試樣經腐蝕后發現缺陷兩側及底部均存在較深的脫貧碳層。

圖2 內圈缺陷及異物的微觀形貌

2.2 電鏡及能譜分析

將試樣清洗干凈，吹干后放置在JSM6380LV掃描電子顯微鏡中，對缺陷部位進行變倍觀察，其形貌如圖3所示。用EDS7582型能譜儀對電鏡圖3a中缺陷的化學成分進行分析，能譜曲線如圖4所示。由圖4可以看出，灰色塊狀異物的化學成分主要為O，Fe，Si，Mg，Ca等元素，其中O，Mg，Ca等并非GCr15鋼中的成分元素，屬于冶煉過程中形成的冶煉爐渣。

圖3 掃描電鏡下內圈端面缺陷形貌

圖4 缺陷能譜曲線圖

2.3 結果分析

根據軸承內圈的金相組織檢驗結果可知，該產品的淬回火組織符合JB/T 1255—2001標準。由于軸承內圈端面缺陷內部及其底部下方的基體中分布有大量的灰色塊狀物，因此可以確定，該缺陷的形成與灰色塊狀異物有直接關系。

從掃描電鏡的能譜分析結果中可知，內圈中灰色塊狀物并非材料內生夾雜物，而是在冶煉過程中形成的殘留爐渣，即夾渣[5]。因此，軸承內圈端面上的弧狀缺陷屬于原材料冶煉缺陷。由于夾渣位于內圈端面中部，缺陷兩側及底部均存在嚴重脫貧碳，證明鍛造時材料夾渣缺陷已全部或部分暴露，從而形成了類似于鍛造折疊裂紋的缺陷。

3 結束語

套圈端面缺陷分析應首先根據宏觀形貌，初步判斷產生缺陷的可能原因，再準確制備分析試樣，借助金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡和電子探針等儀器對缺陷進行低倍形貌、微觀形貌、微區成分、組織形態等方面的觀察，最后結合材料缺陷(材料成分、夾雜物、顯微組織、冶煉等缺陷)分析技術和加工缺陷(軋制、輾擴、鍛造、熱處理、磨削等缺陷)分析技術進行綜合評判，得出正確結論。