軸承外圈裂紋原因分析

于衛國，孫偉

洛陽市洛凌軸承科技股份有限公司 河南洛陽 471000

1 序言

我公司生產的軸承外圈產品狀態如下。

1）型號和尺寸：型號為6313外圈，尺寸為φ140mm（外徑）×φ116mm（內徑）×33mm（高度）。

2）材質：GCr15鋼，執行GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》規定[1]。

3）化學成分：直讀光譜檢測符合G B/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》的要求[1]。

4）軸承外圈狀態：熱處理淬火、回火。

5）裂紋發現環節：淬火、回火后的熒光磁粉檢測工序。

6）基本加工流程：原材料→鍛造（加熱→切料→鐓餅→沖孔→平高→碾擴→整徑）→可控氣氛退火→車削→可控氣氛淬火→回火。

7）軸承外圈熱處理加工設備：退火設備為可控氣氛雙層余熱利用球化退火爐，氣氛為氮氣+丙烷；淬火設備為可控氣氛托輥式網帶爐，氣氛為氮氣+甲醇+丙烷，淬火冷卻介質為光亮淬火油。

2 缺陷宏觀描述

1）此產品在淬火、回火后熒光磁粉檢測過程中發現一件軸承外圈產生裂紋，裂紋位置主要在外徑、端面及倒角處，且裂紋均集中在產品一端位置。裂紋宏觀形貌及無損檢測照片如圖1、圖2所示。

圖1 裂紋宏觀形貌

圖2 無損檢測狀態

經宏觀觀察，隱約可見裂紋的形態與熒光磁粉檢測顯示的基本一致。在外徑上裂紋沿周向稍微向一端面偏斜，外徑上多條裂紋呈近似平行狀分布。

2）試樣切割。為確保能夠觀察裂紋的微觀形態，并盡量減少對裂紋的破壞，以端面裂紋為邊界，并橫跨外徑裂紋進行切割，試樣切割的位置及形狀如圖3所示。

圖3 試樣切割的位置及形狀

3 分析過程描述

3.1 缺陷宏觀分析

缺陷件端面上存在3條較為明顯徑向裂紋，且均跨過倒角延伸至外徑處與正常碾擴方向垂直；外徑處存在數條周向近似平行裂紋，與正常碾擴方向一致；其他部位沒有發現裂紋。一般碾擴形成的裂紋與碾擴方向垂直。根據宏觀形態無法確定裂紋是產生于鍛造環節還是淬火環節，因此需進一步檢測該缺陷產品的材料成分、硬度、微觀組織，以及現場查看加工設備等，從而確認裂紋產生的根本原因。

3.2 缺陷件成分及硬度檢測

用直讀光譜儀對缺陷件材料化學成分進行分析，結果見表1。

表1 缺陷件材料化學成分（質量分數） （%）

用洛氏硬度計分別對缺陷件的試樣及殘件進行硬度檢測，結果見表2。

表2 缺陷件的試樣及殘件硬度檢測結果 （HRC）

3.3 缺陷件的試樣微觀組織檢測

缺陷件的試樣經過磨制和拋光，并使用4%硝酸酒精腐蝕后進行微觀組織檢測，結果如下。

（1）端面裂紋 裂紋長度為3247μm，裂紋深度為1443μm，裂紋周邊存在異常區，其金相組織如圖4所示。1000倍下可清晰地看到裂紋周邊異常組織為低碳板條馬氏體，如圖5所示。

圖4 端面裂紋及周邊異常區金相組織（50×）

圖5 端面裂紋周邊組織（1000×）

（2）外徑裂紋 試樣外徑面共存在6條裂紋。每條裂紋周邊均有近似相同的微觀組織，其中最深的裂紋長度為57.5mm、深度為550μm。裂紋周邊存在異常區，裂紋+異常區為701μm，如圖6所示。1000倍下可清晰地看到裂紋周邊異常組織為低碳板條馬氏體，同時在裂紋邊緣可看到明顯的全脫碳形成的鐵素體塊，如圖7所示。

圖6 外徑裂紋及周邊異常區（50×）

圖7 外徑裂紋周邊組織（1000×）

（3）檢測結果 通過微觀檢測發現，缺陷部位裂紋周邊為不同深度的脫碳組織[2]，即低碳板條馬氏體+全脫碳形成的鐵素體組織。

（4）初步原因 因為退火和淬火均為可控氣氛加熱，所以不可能在裂紋周邊出現脫碳組織，即低碳板條馬氏體+鐵素體組織[3]。因此，這種裂紋肯定產生在鍛造過程，正常的鍛造碾擴形成的外徑裂紋一般是軸向的，但此次裂紋卻是周向的，為此我們對鍛造碾擴設備進行調查分析。

4 鍛造碾擴設備調查與分析

鍛造碾擴設備結構如圖8所示。其中，碾擴輪安裝在滑塊上。

圖8 鍛造碾擴設備示意

現場觀察發現，上下移動的滑塊間隙大。在碾壓輪剛接觸碾壓產品的瞬間向圖中箭頭方向有一個小位移，會在外徑上形成短時間的軸向拉力，當此拉力超過材料強度時裂紋就產生了。另外，該設備的冷卻水為手動控制，當鍛造過程中料坯懸掛在芯輥上后，如沒有及時碾擴，會導致產品局部受到冷卻水的澆注而降溫過多。在局部溫度過低的情況下進行碾擴，碾壓輪剛接觸產品時，由于滑塊間隙大而產生軸向拉力，且當此拉力超過材料強度時會形成周向裂紋，這些裂紋隨著鍛造后的冷卻在裂紋周邊形成脫碳層。端面因只受到周向碾擴拉力，所以端面出現徑向裂紋。

5 結束語

1）裂紋是鍛造碾擴過程中產生的。

2）裂紋產生的原因為鍛造過程中料坯懸掛在芯輥上后，沒有及時碾擴，導致產品局部因受到冷卻水的澆注而造成溫度下降，在局部溫度過低的情況下進行碾擴出現的局部低溫拉裂。外徑局部拉裂隨著碾擴的進展而變細、變長。