軸承套圈裂紋缺陷分析

供稿|袁野，張群 / YUAN Ye, ZHANG Qun

軸承套圈是具有一個或幾個滾道的向心滾動軸承的環形零件，是由軸承鋼經過鍛造、退火、車削、熱處理等工序加工而成的。要求軸承鋼具有高而均勻的硬度、耐磨性以及高的彈性極限，因而對鋼材化學成分均勻性、鋼質純凈度、非金屬夾雜物的含量級別和分布狀態、碳化物的分布及其狀態等要求都十分嚴格，因此軸承鋼被視為是鋼鐵生產中要求最嚴格的鋼種之一。本鋼供給某軸承廠生產軸承套圈用的軸承鋼GCr15加工后個別軸承套圈表面出現條狀或點狀的細小裂痕，為了找出軸承套圈裂紋產生的原因，本文進行了物理檢驗分析與探討。

實驗研究

工藝條件

本鋼GCr15軸承鋼生產工藝為：電爐→LF精煉→VD處理→235 mm×265 mm連鑄坯→加熱→軋制→退火。

軸承套圈加工工藝為：GCr15原材料→鍛造→車削→熱處理→磨削→磁粉檢測。

GCr15軸承鋼經軋制后主要獲得組織為細片狀珠光體和碳化物(Fe，Cr)3C。根據加工使用要求，一般需要經過球化退火處理或淬火+低溫回火熱處理，經過熱處理后組織轉變為細小的隱晶馬氏體和滲碳體顆粒，GCr15內控化學成分見表1所示。

對點狀和條帶狀裂痕兩種生產缺陷試樣進行切割取樣，用掃描電鏡分別對裂紋缺陷的平面和剖面進行觀察，并對裂紋內部進行能譜成分分析。

裂紋平面分析

在SEM下對試樣的缺陷表面進行觀察，條帶狀裂紋的宏觀形貌如圖1(a)，裂紋貫穿整個視場，長度為2.14 mm，局部放大如圖1(b)，主要為斷續分布的小孔洞組成，并呈條帶狀密集分布，底部圓滑，無裂紋延伸傾向。對缺陷部位進行能譜分析，化學成分主要為C、O、Cr、Fe，成分未見異常。在SEM觀察點狀缺陷為凹坑狀缺陷如圖1(c)，缺陷邊緣與底部光滑，無裂紋延伸傾向。化學成分與條帶狀裂紋缺陷一樣主要為C、O、Cr、Fe，成分未見異常。

表1 GCr15軸承鋼內控化學成分(質量分數，%)

圖1 裂紋平面形貌：(a)條帶狀裂紋平面形貌；(b)條帶狀裂紋平面局部放大形貌；(c)點狀裂紋平面放大形貌

裂紋剖面分析

對兩種缺陷試樣部位進行切割，然后對缺陷縱剖面進行金相試樣的制備，在光學顯微鏡下觀察。

條形缺陷部位未檢查到明顯異常現象，只是缺陷部位略有下凹，判斷為坯料加熱時間較長，在軋制之前表面附著大量氧化鐵皮，軋制時由于物理震蕩脫落而形成凹坑；GCr15加工成軸承套圈后，由于車削深度不足，沒有達到原始凹坑深度，因此，留下不規則的條帶狀缺陷。此種缺陷不會向基體延伸，如材料對外觀無特殊要求，不會影響零件的正常使用。

而在點狀缺陷部位附近發現有顆粒狀的非金屬夾雜物呈條帶狀分布，如圖2(a)所示，條帶的一端露出試樣表面，故使軸承套圈表面萌生出點狀缺陷。經測量非金屬夾雜物長度約為580 μm，寬度約為12 μm，在SEM下對非金屬夾雜物形貌進行觀察，見圖2(b)所示，是由小顆粒狀夾雜物團聚集形成。對缺陷部位進行能譜分析，結果見表2，化學成分主要為Fe、O、Mg、Al、Ca、S。大尺寸條狀夾雜 物主 要 由 顆 粒 狀 的MgO·Al2O3、CaO-2Al2O3、CaS聚積而成，出現如此大尺寸的堆積型夾雜物，并且呈隨機分布狀，分析最可能的原因是水口結瘤物脫落導致。參照水口結瘤物成分，結瘤物主要有Al2O3、CaO和MgO組成，兩者含量基本相當。

圖2 裂紋剖面形貌：(a)點狀剖面形貌；(b)非金屬夾雜物形貌

表2 非金屬夾雜物能譜分析(質量分數，%)

分析與討論

采用鋁脫氧的軸承鋼澆注過程中經常會發生侵入式水口結瘤現象，低氧含量的軸承鋼液中存在MgO·Al2O3、CaO·2Al2O3、CaO·6Al2O3等微小夾雜物粒子，由于熔點高、與鋼液間表面張力大，這些微小的夾雜物粒子在連鑄過程中易在水口內壁沉積而導致水口結瘤。尺寸較小的夾雜物在凹形水口底部逐漸聚集在一起、慢慢長大，很容易上浮至結晶器內或黏附在浸入式水口底部。軸承鋼棒材中存在Al2O3、MgO·Al2O3、鈣鋁酸鹽等氧化物類不變形夾雜物易導致裂紋萌生[1-6]。

對于軸承鋼這種超低氧的鋼水，通過VD真空處理，鋼水中的Al2O3、MgO·Al2O3高熔點固相夾雜物大多能被去除。但是澆鑄過程重新創造了熱力學條件，會再次產生高熔點固相夾雜物；另一方面耐材中的MgO受到鋼水侵蝕，也會產生高熔點的固相夾雜物MgO·Al2O3。為減少軸承鋼水口結瘤，應控制鋼包水口下渣，減少中間包耐材侵蝕。

結束語

對兩種軸承套圈缺陷進行分析表明：軸承套圈表面的條帶狀缺陷是軸承鋼表面氧化鐵皮脫落殘留的凹坑，不會向基體延伸；軸承套圈表面點狀缺陷是外生非金屬夾雜物萌發的裂紋缺陷，由于脫落的水口結瘤物未能及時上浮殘留于連鑄坯中造成的；軸承鋼生產過程中，為減少水口結瘤應控制鋼包水口下渣，減少中間包耐材侵蝕。