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摘要

 

通過金相分析及斷口觀察，對(duì)GCr15鋼軸承套圈的磨削開裂進(jìn)行了系統(tǒng)分析。

 

結(jié)果表明，淬火裂紋是套圈失效的根本原因，而原材料中Cr的帶狀偏析、套圈表面的應(yīng)力集中、淬火加熱時(shí)的氧化脫碳以及不當(dāng)?shù)哪ハ鞴ば騽t共同加劇了淬火裂紋的萌生和擴(kuò)展。

 

案例背景

 

一批GCr15鋼制軸承內(nèi)、外套圈在淬火后精磨時(shí)出現(xiàn)了軸向或環(huán)狀裂紋，有的已裂穿甚至碎成數(shù)片。

 

該批套圈的生產(chǎn)工藝流程為：棒材溫剪下料一球化退火→鍛造成型→機(jī)械加工→淬火、回火→精磨。

 

鍛造采用感應(yīng)加熱，溫度為1075~1120℃;淬火加熱在箱式保護(hù)氣氛爐中進(jìn)行，工藝為840℃×45min，淬火介質(zhì)采用120℃好富頓淬火油；油淬后以85℃熱水清洗停留3~6h后再用室溫水噴淋1h，然后進(jìn)行170℃ 3h的回火處理。

 

在隨后精磨端面或外圓時(shí)，部分套圈出現(xiàn)了開裂。作者就此進(jìn)行了失效原因分析。

 

研究內(nèi)容及方法 

 

1.1宏觀斷口形貌

 

圖1為該批軸承內(nèi)、外套圈的軸向截面示意圖。通過觀察發(fā)現(xiàn)，失效斷口大致平行于套圈軸向，斷面平齊，屬于脆性斷裂；

 

根據(jù)撕裂棱特征判斷裂紋走向，發(fā)現(xiàn)許多斷口上存在多個(gè)裂紋源，且其位置均在套圈表面易發(fā)生應(yīng)力集中的機(jī)加工刀痕或棱角處(見圖1的 A、B所示)

 

 

圖1 套圈軸向截面及裂紋源位置示意圖

 

1.2探傷檢驗(yàn)

 

對(duì)失效的軸承外圈進(jìn)行著色探傷,發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁存在大量的環(huán)形裂紋,且其分布與尖銳的機(jī)加工刀痕相吻見圖2。

 

 

圖2  失效的軸承外圈內(nèi)壁的環(huán)形裂紋

 

1.3化學(xué)成分分析

 

對(duì)套圈的化學(xué)成分進(jìn)行了檢驗(yàn),結(jié)果示于表1，其化學(xué)成分既符合YB9-1968(鉻軸承鋼技術(shù)條件》的要求，也滿足原材料的訂貨要求。

 

1.4夾雜及碳化物檢測(cè)

 

從斷口附近取樣后，沿套圈的內(nèi)側(cè)、外測(cè)以及垂直軸向的平面磨樣，按標(biāo)準(zhǔn)YB9-1968《鉻軸承鋼技術(shù)條件》進(jìn)行非金屬夾雜及碳化物級(jí)別檢測(cè)，可見，套圈中的非金屬夾雜及碳化物級(jí)別均符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

 

1.5斷口的微觀形貌

 

以丙酮為載體,將斷口試樣用超聲波清洗后進(jìn)行掃描電鏡觀察。

 

結(jié)果發(fā)現(xiàn)斷口上除存在多個(gè)裂紋源外,還存在較多的非金屬夾雜物(見圖3a)和碳化物聚集現(xiàn)象(見圖3b)。

 

由此可見,雖然前面的試驗(yàn)顯示夾雜物和碳化物符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，但它們?cè)谔兹χ腥源嬖谥^嚴(yán)重的局部超標(biāo)現(xiàn)象。同時(shí)，圖3a顯示斷面上組織不夠均勻，其中，較亮區(qū)域的組織致密、晶粒細(xì)小而較暗區(qū)域則組織疏松、晶粒較大。

 

 

（a）非金屬夾雜物

 

 

（b）碳化物聚集現(xiàn)象

 

圖3  失效斷口的SEM掃描照片

 

1.6金相組織觀察

 

 (1)心部及表層組織

 

失效套圈的心部及表層金相組織見圖4。由圖4a可見,軸承套圈的心部為正常組織:回火隱針馬氏體+碳化物+殘留奧氏體。

 

4b顯示了套圈內(nèi)側(cè)未磨表層出現(xiàn)的貧碳現(xiàn)象,其組織呈現(xiàn)出明顯的低,中碳馬氏體形態(tài),由于套圈的淬火加熱是在保護(hù)氣氛中進(jìn)行,所以表面脫碳層的出現(xiàn)說明淬火時(shí)實(shí)際加熱溫度偏高或加熱時(shí)間過長。

 

 

（a）心部組織

 

 

（b）表層脫碳組織

 

圖4  失效套圈的心部組織（a）及表層脫碳組織（b）

 

 (2)表面裂紋及次表層裂紋

 

在對(duì)失效套圈進(jìn)行金相分析時(shí),發(fā)現(xiàn)了許多由表面向內(nèi)延伸的表面裂紋,裂紋兩側(cè)無氧化脫碳現(xiàn)象。此外,還發(fā)現(xiàn)了一些垂直于套圈表面且裂紋線曲折、分叉,而裂紋體兩未擴(kuò)展到表面的次表層裂紋,見圖5。

 

 

圖5 失效套圈的次表層裂紋形貌

 

 (3)裂紋形貌

 

為了更清楚地顯示裂紋形貌,對(duì)拋光后的試樣用光鏡和打描電鏡進(jìn)行了觀察,結(jié)果見圖6。圖6a是一條從表面向內(nèi)延伸的裂紋。

 

圖6b是一條內(nèi)部裂紋的末端。雖然兩條裂紋的位置不同，但均呈現(xiàn)出曲折、間斷的相似形貌,而且裂紋體的有些部位出現(xiàn)了三角分叉現(xiàn)象,說明淬火時(shí)較大的內(nèi)應(yīng)力(包括組織應(yīng)力和熱應(yīng)力)使得村料內(nèi)部多處發(fā)生了開裂。

 

 

（a）表面裂紋的里端圖

 

 

（b） 內(nèi)部裂紋的末端

 

圖6 失效套圈裂紋的內(nèi)部形貌

 

(4)帶狀形貌

 

金相檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)套圈中存在較嚴(yán)重的帶狀組織,其形貌見圖7。

 

帶狀組織的出現(xiàn)是由原材料中存在的成分偏析及淬火前的熱加工造成的碳化物富集帶遺傳所致。

 

有的區(qū)域基體及碳化物中Cr含量較高,且淬火加熱時(shí),含Cr碳化物的溶解較難,能有效地阻礙奧氏體晶粒的長大,淬火后形成隱針馬氏體。

 

該區(qū)域不易浸蝕,因面呈現(xiàn)出較亮的顏色，淬火前某區(qū)域基體及碳化物中Cr含量較低,淬火加熱時(shí)碳化物易溶解,對(duì)奧氏體長大的礙作用較小,淬火后馬氏體件片較大,該區(qū)域就固易呈暗色",帶狀組織的存在增加了GCr15鋼的過熱傾向,使零件火加熱時(shí)易形成粗大的過熱組織。

 

 

圖7 失效套圈的帶狀組織

 

分析結(jié)果

 

2.1磨削紋的排除

 

磨削裂是套圈在淬火后精磨時(shí)，由于磨削表層的局部內(nèi)應(yīng)力(由淬火應(yīng)力和磨削力共同決定)超過了材料的斷裂極限而產(chǎn)生的局部裂，磨削裂紋一般多呈龜裂狀，有時(shí)也呈細(xì)密的且與磨削方向垂直的直線狀分布。

 

雖然形態(tài)會(huì)有所不同，但磨削裂紋一般均存在于磨削表面較淺的范圍內(nèi)，因?yàn)楸驹囼?yàn)所觀察到的表面裂紋大多起源于軸承套圈的非磨削面，且裂紋較深，有的甚至裂穿，因此不屬于磨裂紋。

 

2.2表面裂紋產(chǎn)生的原因

 

斷口的高，低倍形分析及金相觀察說明,套圈表面的裂紋多起源刀痕、棱角等應(yīng)力集中處，且裂紋兩側(cè)無氧化脫碳現(xiàn)象，說明這些表面裂紋產(chǎn)生于淬火冷卻時(shí)或冷卻后。

 

本批軸承套圈均為GC15高碳合金鋼制造的壁厚為3-8毫米的薄壁零件，熱油淬火時(shí)極易淬透。因馬氏體與奧氏體比容的差異以及奧氏體馬氏體與非金屬夾雜物和碳化物熱膨脹系數(shù)的巨大差異，套圈淬火時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力。

 

由于心部的馬氏體相變落后于表面,且馬氏體比容大于奧氏體，因此，淬火后套圈表面處于拉應(yīng)力狀態(tài)，并在刀痕、楞角等應(yīng)力集中處產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力。當(dāng)此拉應(yīng)力超過材料的斷裂極限時(shí),但會(huì)導(dǎo)致表面開裂。

 

2.3內(nèi)部裂紋產(chǎn)生的原因

 

在CCr15鋼淬火時(shí),馬氏體的形成速度很快,因接觸產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，而脆硬的高碳馬氏體不能通過孿晶變形或位錯(cuò)變形有效地緩解內(nèi)應(yīng)力，因此在淬火過程中及淬火以后(尤其是沒有及時(shí)回火)，使得材料內(nèi)部處于很高的應(yīng)力狀態(tài)，從而導(dǎo)致了內(nèi)部裂紋的若萌生和擴(kuò)展；原材料中局部帶狀偏析的存在，加大了GCr15鋼淬火過熱的傾向，加劇了套圈的局部應(yīng)力集中，因此增加了裂紋的萌生幾率。

 

另外，套圈中局部超標(biāo)的非金屬夾雜物及碳化物，一方面因其與基體彈性模量及熱膨脹系數(shù)的錯(cuò)配，提高了微區(qū)的應(yīng)力集中程度，另一方面，它們的存在割裂了基體，破壞了基體的連續(xù)性，從而易在內(nèi)應(yīng)力或外力作用下產(chǎn)生裂紋。

 

2.4磨削對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響

 

因淬火時(shí)局部內(nèi)應(yīng)力超過了材料的屈服極限，薄壁的軸底套圈會(huì)因不均勻的塑性變形面使其圓度超差，這樣在精磨外圓(或端面)時(shí)，不當(dāng)?shù)哪ハ鞴ば驎?huì)增大套圈表面的拉應(yīng)力，促使表層的張開型淬火裂紋向里擴(kuò)展。

 

此外，較大的磨削力會(huì)改變套圈中內(nèi)應(yīng)力的分布狀態(tài)，使心部靠外區(qū)域中原來的壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，從而促進(jìn)該處內(nèi)部裂紋的萌生和擴(kuò)展。

 

因此，雖然磨削不是裂紋萌生的根本原因，但它促進(jìn)了淬火裂紋的擴(kuò)展，導(dǎo)致了套圈的磨削開裂。

 

結(jié)論

 

(1)該批GCr15鋼軸承套圈的開裂失效雖然發(fā)現(xiàn)于磨削工序,但并非磨削裂紋所致。

 

(2)原材料中的帶狀偏析和淬火加熱時(shí)的表面脫碳加劇了套圈的過熱敏感性,增大了淬火裂紋的萌生幾率,致使套圈在較大的淬火應(yīng)力下不僅產(chǎn)生了表面裂紋,也出現(xiàn)了內(nèi)部裂紋。同時(shí),淬火后未及時(shí)回火,使套圈長時(shí)間處于高應(yīng)力狀態(tài),促進(jìn)了淬火裂紋的擴(kuò)展。

 

(3)尖銳的機(jī)加工刀痕及零件棱角加劇了淬火應(yīng)力集中，成為萌生裂紋的主要位置。

 

改進(jìn)措施

 

根據(jù)上述分析,采取了以下幾點(diǎn)改進(jìn)措施,基本消除了GCr15鋼軸承套圈的磨削開裂現(xiàn)象:

 

(1)加強(qiáng)原材料的檢驗(yàn),確保其成分、組織及各種缺陷在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)?？刂魄蚧嘶鸺板懺旃ば?保證淬火前的組織正常。

 

(2)提高淬火前零件的表面光潔度,消除尖銳的機(jī)加工刀痕。淬火加熱時(shí),控制裝爐量,避免溫度過高或時(shí)間過長,以免發(fā)生較嚴(yán)重的氧化、脫碳;取消淬火后的室溫水清洗工序,保證淬火后及時(shí)回火。