軸承鋼又稱高碳鉻軸承鋼，是特殊鋼著名的代表鋼種之一，在國(guó)內(nèi)外是公認(rèn)衡量企業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量的重要標(biāo)志。其含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%左右，鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%左右。由于軸承鋼的工作環(huán)境惡劣，承受極大的壓力和摩擦力，所以要求軸承鋼有較高的均勻性、硬度和耐磨性，以及較高的彈性極限，也因此對(duì)軸承鋼的化學(xué)成分均勻性、非金屬夾雜物的含量和分布以及碳化物分布等都提出十分嚴(yán)格的要求，是所有鋼鐵產(chǎn)品中對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)要求最嚴(yán)格的鋼種之一，也是在加工、使用中出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題比較多、分析難度比較大的鋼種。

1.   缺陷描述

用戶采購(gòu)?65 mm規(guī)格的GCr15軸承鋼，采用穿管工藝生產(chǎn)套圈。生產(chǎn)軸承套圈工藝流程為：下料—加熱（1100 ℃）—穿管—矯直—熱處理—粗加工—精加工。在加熱、穿管及矯直過(guò)程中均未見(jiàn)異常。當(dāng)在精加工過(guò)程發(fā)現(xiàn)有部分套圈出現(xiàn)開(kāi)裂缺陷，圖1為套圈斷裂后的全貌及剖面圖。觀察套圈斷口：平齊，無(wú)細(xì)小裂紋。除斷口外，套圈其余部分表面未見(jiàn)任何缺陷。

2.   缺陷分析與討論

2.1   化學(xué)成分分析

用戶的斷裂套圈所涉及的爐號(hào)為18C2560，將該爐的出廠檢驗(yàn)結(jié)果與本次檢驗(yàn)結(jié)果作對(duì)比。對(duì)GCr15缺陷試樣進(jìn)行了光譜及氣體含量分析，表1中列出標(biāo)準(zhǔn)要求、原料出廠時(shí)檢驗(yàn)的冶煉成分及用戶斷裂的套圈實(shí)測(cè)成分，通過(guò)成分對(duì)比發(fā)現(xiàn)，斷裂鋼材成分接近出廠檢驗(yàn)值，滿足異議判定真實(shí)性的要求。各成分符合GB/T18254—2016標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼水P、S控制較好，氧、氫氣體含量較低，脫氧充分，另外殘余元素Cu、Ni、Mo及有害元素含量也較低，該鋼純凈度較好，因此可以排除鋼材因成分不合產(chǎn)生斷裂的可能性。

2.2   非金屬夾雜物

從用戶斷裂套圈斷口上取試樣，進(jìn)行非金屬夾雜檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表2，根據(jù)表中結(jié)果可以看出，無(wú)論原料出廠檢驗(yàn)，還是從用戶斷裂套圈上取料檢驗(yàn)的結(jié)果，均符合GB/T 18254—2016的標(biāo)準(zhǔn)。

該爐鋼18C2560經(jīng)鋼包精煉（LF）和真空精煉（VD）處理，非金屬夾雜物級(jí)別較低，從成分分析也可以看出氧、硫等控制均較好，鋼質(zhì)的純凈度控制在較高水平。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)介紹，若非金屬夾雜物含量過(guò)高，尤其當(dāng)B粗和D粗夾雜物含量較高時(shí)，容易從非金屬夾雜物處產(chǎn)生微裂紋，并互相交叉連接以致擴(kuò)展，在后續(xù)熱處理時(shí)將導(dǎo)致嚴(yán)重開(kāi)裂[1−5]。從檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，排除了因?yàn)榉墙饘賷A雜物超標(biāo)造成套圈加工后斷裂的可能性。

2.3   顯微組織

經(jīng)對(duì)出廠鋼材檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)取，原始鋼材的組織為珠光體+碳化物，軋后帶狀組織1.0級(jí)，網(wǎng)狀碳化物級(jí)別1.0級(jí)，原始鋼材碳化物檢驗(yàn)滿足標(biāo)準(zhǔn)，也無(wú)影響用戶使用的異常金相組織。

取用戶斷裂套圈斷口上的試樣進(jìn)行顯微組織檢驗(yàn)，如圖2所示?？梢钥闯觯涸嚇釉跀嗔烟兹嗫谔幐浇盎w部位，全部為回火馬氏體+少量碳化物組織，為正常的熱處理后的組織。

斷口附近邊緣未見(jiàn)明顯脫碳，組織細(xì)小均勻，無(wú)過(guò)熱傾向，可見(jiàn)原材及用戶加熱、穿管過(guò)程均不存在造成裂紋的可能性。因此異常組織及脫碳層超標(biāo)導(dǎo)致套圈斷裂的可能性可予以排除。

2.4   裂紋斷裂面掃描電鏡觀察

把用戶斷裂套圈斷口進(jìn)行無(wú)水切割后，經(jīng)超聲波清洗后，在掃描電鏡下觀察斷裂面形貌。如圖3所示，套圈斷裂面上有明顯的放射狀條紋，裂紋起源于套圈的內(nèi)弧面，此處為淬火及機(jī)加應(yīng)力集中部位。瞬斷開(kāi)始區(qū)域斷口平直，呈灰色瓷狀脆性斷口。在瞬斷區(qū)與撕裂區(qū)交界處，可見(jiàn)短的徑向裂紋與套圈內(nèi)表面粗車刀痕相連。這表明裂紋是在粗車刀痕根部起裂并朝徑向擴(kuò)展而形成，在應(yīng)力作用下進(jìn)一步加深[6]。

對(duì)斷口電鏡分析未發(fā)現(xiàn)夾雜等缺陷。斷口裂紋開(kāi)始部位的機(jī)械加工相對(duì)于其他部位比較粗糙，開(kāi)裂起始區(qū)域斷口存在一定程度的疲勞磨損。

對(duì)試樣2裂紋起始處、裂紋根部、中間位置隨機(jī)選取四點(diǎn)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明，裂紋處除鋼中正常的基體元素外，并無(wú)明顯的非金屬夾雜物存在，排除因個(gè)別大尺寸夾雜物導(dǎo)致開(kāi)裂的可能性。

3.   缺陷產(chǎn)生原因分析及解決措施

3.1   缺陷產(chǎn)生原因分析

原始鋼材及斷裂套圈化學(xué)成分、非金屬夾雜物均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，顯微組織正常，斷口電鏡分析未發(fā)現(xiàn)夾雜缺陷，因此套圈出現(xiàn)開(kāi)裂缺陷并不是鋼材本身原因造成的。

斷裂套圈顯微組織為回火馬氏體組織，斷口部位未見(jiàn)明顯脫碳，排除原材及用戶加熱穿管因素所致。斷裂套圈內(nèi)壁斷口裂紋開(kāi)始部位的機(jī)械加工相對(duì)于其他部位比較粗糙，分析認(rèn)為套圈加工過(guò)程中存在某種工藝或操作缺陷，使套圈磨損受力不均，造成局部磨損較其他部位嚴(yán)重，在該部位產(chǎn)生應(yīng)力集中甚至過(guò)熱。裂紋起源于套圈的內(nèi)弧面，在瞬斷區(qū)與撕裂區(qū)交界處，可見(jiàn)短的徑向裂紋與套圈內(nèi)表面粗車刀痕相連。以上結(jié)果分析認(rèn)為套圈裂紋的產(chǎn)生是用戶淬火過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力與不合理的機(jī)加工藝疊加所致。

3.2   解決措施

根據(jù)以上分析的情況，可以從用戶的機(jī)加工及熱處理工藝入手。

（1）提高車削加工質(zhì)量，嚴(yán)格控制車削進(jìn)刀量及夾緊力，不允許表面有過(guò)深的車削痕跡及過(guò)大的車削應(yīng)力[7]。

（2）熱處理的加熱及冷卻過(guò)程中，套圈表面與內(nèi)部熱脹冷縮不均及組織轉(zhuǎn)變不同時(shí)均會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。薄壁軸承套圈由于自身剛度差，熱處理時(shí)因?yàn)閼?yīng)力的存在易導(dǎo)致裂紋加速擴(kuò)展。因此必須制定合適的熱處理工藝，控制熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。

（3）內(nèi)壁開(kāi)裂往往與原始鋼材芯部孔隙性缺陷也存在一定關(guān)聯(lián)，若存在縮孔以及嚴(yán)重的中心疏松，在穿管及后續(xù)熱處理過(guò)程中可導(dǎo)致開(kāi)裂。雖然本文分析未出現(xiàn)此情況，但從提升實(shí)物質(zhì)量角度，也要加強(qiáng)低倍質(zhì)量控制。

經(jīng)以上措施的實(shí)施并輔以用戶的工藝改進(jìn)，該用戶在以后的生產(chǎn)中未再出現(xiàn)批量斷裂缺陷。

4.   結(jié)論

（1）軸承鋼套圈斷裂缺陷的產(chǎn)生與材質(zhì)本身無(wú)關(guān)。

（2）不合理的機(jī)加方式及內(nèi)應(yīng)力的存在是造成開(kāi)裂的誘發(fā)原因，通過(guò)調(diào)整機(jī)加工及熱處理工藝，可以有效避免斷裂缺陷的產(chǎn)生。

文章來(lái)源——金屬世界