四列圓柱滾子軸承外圈淬火開裂原因分析及改進措施

賈玉鑫，單瓊飛，李檢貴，康風波

1.洛陽軸承研究所有限公司 河南洛陽 471039

2.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟 河南洛陽 471039

某廠家委托我公司熱處理的軸承為四列圓柱滾子軸承，此類軸承能同時承受較大徑向和軸向雙向載荷，被廣泛應用于重載工況場合。軸承外圈的外形尺寸為φ300mm×φ278mm×96mm，所用材料為GCr15鋼，加工工序為：鍛造→退火→車加工→鉆孔→淬火→回火。在鹽淬馬氏體等溫淬火、回火之后，加工時發現多件外圈油孔處出現貫穿裂紋。該批次共800件左右，經無損檢測發現其中有裂紋的數量70件左右。為避免再次產生批次性產品報廢，對軸承外圈產生裂紋的原因進行分析。

1 熱處理工藝

該軸承外圈淬火、回火工藝路線：淬火→風冷→清洗→量形→整形→回火。具體工藝曲線如圖1所示。鹽淬后風冷至50℃以下進行清洗。此工藝已固化，該批次產品生產期間并無調整，操作人員嚴格執行，并且沒有發現淬火、回火設備及工藝異常。每爐次裝爐量80件左右，此批產品共計10爐次，量形過程中發現該批產品變形較大，變形量在0.6~ 1.0mm的產品占比45%，變形量在1.0~1.5mm的占比30%。整形方法為采用頂子進行校正，并回火穩定。

圖1 軸承外圈熱處理工藝曲線

2 理化檢驗

2.1 斷口分析

軸承外圈裂紋宏觀形貌如圖2所示。將軸承外圈施加外力，套圈沿油孔發生開裂，觀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，裂紋起源于擋邊內徑與油孔的交角處，并向溝道面擴展，如圖3所示。

圖2 外圈裂紋宏觀形貌

圖3 外圈裂紋斷口形貌

2.2 化學成分分析

在軸承套圈裂紋處進行取樣，將試樣的切割面打磨平后，放置在SPECTOR M9型直讀光譜儀上進行化學成分檢驗，結果見表1。由檢測結果可知，軸承套圈材料為GCr15鋼，符合GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》規定要求。

表1 外圈材料化學成分檢驗結果（質量分數） （%）

2.3 硬度檢測

采用HR-150A洛氏硬度計（載荷為1500N）測試軸承外圈端面的硬度，并按照JB/T 1255—2014《滾動軸承高碳鉻軸承零件熱處理技術條件》評定，測試結果見表2，符合標準要求。

表2 外圈硬度測試結果（HRC）

2.4 金相檢查

觀察發現：油孔內徑面較為粗糙，油孔與擋邊交角處較尖銳，周圍未見明顯夾雜物。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型顯微鏡下進行檢驗，具體結果見表3。

表3 外圈金相檢驗結果

檢驗發現：①外圈內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擋邊內徑與油孔交角處增碳深度最大，為0.10mm，如圖4所示。③依據JB/T 1255—2014評定，外圈的淬火、回火組織結果為：馬氏體組織3級，屈氏體組織1級，網狀碳化物2級，符合相關標準要求。參照G B/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》規定對其晶粒度進行金相檢驗，評定為8~9級，如圖5所示。

圖4 內徑擋邊與油孔交角處增碳形貌

圖5 外圈晶粒度

3 結果分析與討論

淬火裂紋是零件淬火過程中由于所產生的內應力大于材料斷裂強度而產生的脆性開裂，內應力包含組織轉變應力和淬火冷卻熱應力，是造成淬火裂紋的本質因素[1]。結合上述檢驗結果，作出以下分析。

1）由以上的硬度、淬回火組織、晶粒度級別及其細瓷狀斷口可見，該套圈的熱處理質量符合現行標準要求。

2）該外圈經過管材車削和鉆孔后，較深且尖銳的車刀紋極易產生應力集中，在淬火時產生淬火應力開裂，且主要產生于套圈油溝及油孔等位置[2]。

3）產品批量性的變形，且變形量較大，在整形過程中會增大應力集中。

4）該產品在熱處理過程中，由于可控氣氛碳勢偏高，因此導致擋邊內徑與油孔交角處發生增碳效應，在該處形成了較大的應力集中。因油孔直徑加工量較大、周圍存在不對稱結構（見圖6），所以致使油孔周圍的應力分布不均勻，在油孔較薄的位置增碳，脆性增大，當應力集中超過材料的強度時就產生了沿孔邊開裂現象。此外，同爐次套裝的其他沒有油孔的產品，并沒有發現此類現象，說明產生裂紋與工藝、設備無直接關系。

因此，油孔直徑加工量較大、粗糙且不對稱和油孔應力集中是導致該型軸承外圈產生裂紋的主要原因。

圖6 油孔周圍不對稱形貌

4 結論及改進措施

1）該型軸承外圈油孔直徑較大、表面粗糙且不對稱，以及油孔應力集中是導致其在熱處理過程中產生裂紋的主要原因。

2）該類型產品油孔一定要加工規范，并進行倒角處理。

3）熱處理過程中允許出現標準要求內的脫貧碳層，但盡量避免增碳現象的發生。