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(xué)技術(shù)、節(jié)能環(huán)保的快速發(fā)展，主機(jī)對(duì)軸承的使用條件要求越來越苛刻，如高溫、高速、重載、強(qiáng)磁等，對(duì)軸承的性能要求也越來越高，如高可靠性、長(zhǎng)壽命等。套圈端面缺陷嚴(yán)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(dǎo)致重大事故。因此，需進(jìn)行套圈端面缺陷的研究。文獻(xiàn)[1]對(duì)軸承鋼環(huán)件軋制端面凹坑及折疊缺陷進(jìn)行研究，認(rèn)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(xiàn)[2]對(duì)軸承內(nèi)圈端面塊狀物缺陷進(jìn)行分析，認(rèn)為塊狀物缺陷由材料中的非金屬夾雜物造成；文獻(xiàn)[3]對(duì)軸承內(nèi)圈端面磁痕缺陷進(jìn)行分析，認(rèn)為其屬于材料冶金缺陷。然而，以上研究過于單一，沒有系統(tǒng)歸納套圈端面缺陷種類及分析方法。因此，下文總結(jié)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(kuò)裂紋、磨削燒傷及裂紋、淬火裂紋、材料發(fā)紋及夾渣等，其宏觀形貌特征、微觀金相組織、產(chǎn)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(jié)合表1對(duì)缺陷種類及分析方法進(jìn)行初步判定；確定缺陷的切剖部位和方向，制備金相試樣進(jìn)行檢驗(yàn)與分析；根據(jù)分析的進(jìn)展程度和實(shí)際需要選擇掃描電鏡、能譜儀等進(jìn)行微觀特征觀察和分析；進(jìn)行綜合評(píng)判，確定套圈端面缺陷的類型及其產(chǎn)生原因。

表1 套圈端面缺陷的特征、產(chǎn)生原因及分析方法

2 實(shí)例分析

某公司生產(chǎn)的軸承套圈，其材料為GCr15鋼，加工工序?yàn)椋簾徨懲嘶鸺嚰庸ぁ鸁崽幚怼ゼ庸ぁb配。在成品裝配時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)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(biāo)記處)

2.1 金相分析

將成品軸承拆套后，用線切割在內(nèi)圈缺陷部位取樣，并將其縱向剖面制成金相觀察面，在光學(xué)顯微鏡下觀察缺陷部位形貌，缺陷寬0.55 mm,深1.2 mm。按照J(rèn)B/T 1255—2001《高碳鉻軸承鋼滾動(dòng)軸承零件 熱處理技術(shù)條件》對(duì)金相組織進(jìn)行觀測(cè)和評(píng)級(jí)，淬回火組織為3級(jí)，網(wǎng)狀碳化物為1級(jí)。觀察發(fā)現(xiàn)，缺陷呈深灰色，由端面沿軸向延伸，且具有一定的寬度，內(nèi)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(diǎn)狀分布的異物(圖2)，試樣經(jīng)腐蝕后發(fā)現(xiàn)缺陷兩側(cè)及底部均存在較深的脫貧碳層。

圖2 內(nèi)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(duì)缺陷部位進(jìn)行變倍觀察，其形貌如圖3所示。用EDS7582型能譜儀對(duì)電鏡圖3a中缺陷的化學(xué)成分進(jìn)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(xué)成分主要為O，F(xiàn)e，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(nèi)圈端面缺陷形貌

圖4 缺陷能譜曲線圖

2.3 結(jié)果分析

根據(jù)軸承內(nèi)圈的金相組織檢驗(yàn)結(jié)果可知，該產(chǎn)品的淬回火組織符合JB/T 1255—2001標(biāo)準(zhǔn)。由于軸承內(nèi)圈端面缺陷內(nèi)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(guān)系。

從掃描電鏡的能譜分析結(jié)果中可知，內(nèi)圈中灰色塊狀物并非材料內(nèi)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(nèi)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(nèi)圈端面中部，缺陷兩側(cè)及底部均存在嚴(yán)重脫貧碳，證明鍛造時(shí)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(jié)束語

套圈端面缺陷分析應(yīng)首先根據(jù)宏觀形貌，初步判斷產(chǎn)生缺陷的可能原因，再準(zhǔn)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(duì)缺陷進(jìn)行低倍形貌、微觀形貌、微區(qū)成分、組織形態(tài)等方面的觀察，最后結(jié)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(shù)和加工缺陷(軋制、輾擴(kuò)、鍛造、熱處理、磨削等缺陷)分析技術(shù)進(jìn)行綜合評(píng)判，得出正確結(jié)論。