摘 要:在對(duì)軸承滲碳鋼滾子進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)時(shí),發(fā)現(xiàn)滾子支柱孔內(nèi)存在不同程度的表面磁痕。 采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、硬度測(cè)試、低倍組織檢驗(yàn)、掃描電鏡及能譜分析等方法,對(duì) 該滾子表面磁痕產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明:滾子內(nèi)部存在發(fā)紋缺陷,在滲碳淬火以及二次淬 火時(shí),材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的應(yīng)力,導(dǎo)致滾子內(nèi)部的發(fā)紋擴(kuò)展,最終發(fā)生開(kāi)裂,在無(wú)損檢測(cè)時(shí)形成 磁痕。

關(guān)鍵詞:滲碳鋼;滾子;磁痕;發(fā)紋;皮下氣泡

中圖分類號(hào):TB31;TG142.1+5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2023)01-0043-04

滾子是軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)承受負(fù)載的零件,也是軸 承中最薄弱的零件之一,滾子的質(zhì)量對(duì)軸承的旋 轉(zhuǎn)精度、振動(dòng)、噪聲以及靈活性等都有較大影響。 滾子的種類較多,有圓柱滾子、圓錐滾子、球面滾 子、螺旋滾子、支柱孔滾子和各類滾針等,其中支 柱孔滾子中心帶通孔,該通孔用來(lái)安裝支柱,以便 將滾子固定在片狀支柱保持架上。該類型滾子形 狀有圓柱型、圓錐型和球面型等,主要用于制作大 型軸承。

滲碳軸承鋼具有切削性能、冷加工性能、耐沖 擊性能、耐磨性能良好以及接觸壽命高等優(yōu)點(diǎn),用 于制造承受較大沖擊負(fù)荷的軸承,如軋機(jī)、重型車 輛、鐵路機(jī)車、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、礦山機(jī)械的軸承等。 用滲碳鋼制作的軸承,除表面具有較高的硬度、疲 勞強(qiáng)度和良好的尺寸穩(wěn)定性外,軸承內(nèi)部還具有 較高的韌性[1]。

某公司在對(duì)一批成品滾子進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)時(shí),發(fā) 現(xiàn)部分滾子支柱孔內(nèi)存在不同程度的磁痕,聚磁線 沿軸向分布。該批滾子原材料(直徑為60mm)為 G20Cr2Ni4鋼。成品滾子的規(guī)格(直徑×長(zhǎng)度)為 56mm×104.5mm,內(nèi)部支柱的直徑為18mm,其 宏觀形貌如圖1所示。成品滾子的滲碳層深度不小 于3mm。為確定磁痕產(chǎn)生的原因,對(duì)送檢的兩個(gè) 有異常磁痕分布的滾子進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn),以 避免該類問(wèn)題再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

將滾子沿裂紋打開(kāi)后進(jìn)行宏觀觀察,結(jié)果如圖2所示,可見(jiàn)整個(gè)斷口平齊,呈銀灰色細(xì)瓷狀;裂紋 源為一條微細(xì)裂紋,沿軸向分布,位于外徑和內(nèi)徑的 中部,并靠近一側(cè)端面向四周擴(kuò)展。

1.2 化學(xué)成分分析

采用SPECTRO M9型直讀光譜儀對(duì)滾子的表 面和心部進(jìn)行化學(xué)成分分析,其中滾子表面碳元素 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.807%,心部材料的化學(xué)成分分析 結(jié)果如表1所示?？梢?jiàn)滾子表面的碳元素含量符合 JB/T8881—2011《滾動(dòng)軸承 零件滲碳熱處理 技術(shù) 條件》的要求(碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于0.80%),滾 子心部的化學(xué)成分符合GB/T3203—2016《滲碳軸 承鋼》的要求。

1.3 金相檢驗(yàn)

采用線切割的方法對(duì)其中一個(gè)滾子進(jìn)行切割, 然后對(duì)截面處的裂紋進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖3所示。 由圖3可知:滾子內(nèi)部存在裂紋,裂紋分布在內(nèi)徑、 外徑及端面之間,橫截面呈輻射狀,沿縱向發(fā)生開(kāi) 裂;裂紋起源于內(nèi)徑和外徑之間的中部位置,向內(nèi) 徑、外徑及兩端面擴(kuò)展;裂紋長(zhǎng)度約為15mm,與內(nèi) 徑、外徑及端面的距離分別為2.04,2.40,1.94mm。

將試樣截面磨制后,放置在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行 觀察,可見(jiàn)裂紋主要沿晶界擴(kuò)展,呈斷續(xù)狀分布,裂 紋兩側(cè)無(wú)夾雜、脫碳等異?，F(xiàn)象(見(jiàn)圖4)。

依據(jù)GB/T3203—2016對(duì)滾子的原材料進(jìn)行非金屬夾雜物評(píng)級(jí),結(jié)果如表2所示;依據(jù)JB/T 8881—2011對(duì)滾子熱處理淬回火組織進(jìn)行評(píng)級(jí),結(jié) 果如表3所示,可見(jiàn)滾子的原材料和熱處理淬回火 組織均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.4 硬度測(cè)試

對(duì)滾子的滲碳層剖面進(jìn)行硬度測(cè)試,結(jié)果如表 4所示,可見(jiàn)表面至58HRC的距離占總硬化層深 度的41.1%,符合技術(shù)要求(不小于40%)。對(duì)滾子 的表面和心部進(jìn)行硬度測(cè)試,結(jié)果如表5所示,可見(jiàn) 滾子表面和心部的硬度均符合技術(shù)要求。

1.5 低倍組織檢驗(yàn)

將金相檢驗(yàn)后的試樣進(jìn)行冷加工處理,然后按 照GB/T3203—2016的要求進(jìn)行低倍組織檢驗(yàn),結(jié) 果如表6所示,可見(jiàn)試樣的低倍組織均符合標(biāo)準(zhǔn)要 求。

1.6 掃描電鏡(SEM)及能譜分析

將滾子斷口經(jīng)超聲清洗、烘干后,用SEM 進(jìn)行 觀察,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知:裂紋源區(qū)有一 條內(nèi)壁疏松的細(xì)線狀缺陷,長(zhǎng)度為3.694mm,缺陷 內(nèi)物質(zhì)為顆粒狀,形貌自然;缺陷外斷口呈脆性斷 裂,以缺陷為中心向四周擴(kuò)展。

采用能譜儀對(duì)缺陷內(nèi)及周圍物質(zhì)進(jìn)行分析,發(fā) 現(xiàn)缺陷內(nèi)主要含有氧、鋁、鐵、鎳等元素(見(jiàn)圖6),缺陷周圍正常斷口處主要含有鐵、碳、鎳、鉻等元素。

2 綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)分析結(jié)果可知:送檢滾子內(nèi)部 均存在裂紋,裂紋源位于滾子內(nèi)徑與外徑之間的中 部位置,裂紋源為一條長(zhǎng)度為3.694mm 的線狀缺 陷。根據(jù)缺陷的形貌及化學(xué)成分推測(cè),該線狀缺陷 是鋼材冶煉過(guò)程中形成的針孔狀缺陷,是深層皮下 氣泡造成的,即發(fā)紋。

發(fā)紋是一種原材料缺陷,是鋼中的非金屬夾雜 物或氣孔在軋制或拉拔過(guò)程中,隨金屬變形伸長(zhǎng)而 形成的[2-3]。發(fā)紋經(jīng)常出現(xiàn)在棒料或鍛件的表面,一 般為連續(xù)或斷續(xù)的直線,發(fā)紋距表面的深度越大,尖 端曲率半徑越小,材料越容易產(chǎn)生應(yīng)力集中[4]。

滲碳鋼經(jīng)淬火后,表面為壓應(yīng)力,心部為拉應(yīng) 力。滾子心部存在裂紋源,在淬火瞬間形成了強(qiáng)大 的拉應(yīng)力,導(dǎo)致裂紋源失穩(wěn)擴(kuò)展,發(fā)展成內(nèi)部開(kāi)裂或 斷裂。滾子開(kāi)裂面沒(méi)有穿過(guò)滲碳層的原因?yàn)?當(dāng)內(nèi) 部開(kāi)裂擴(kuò)展至滲碳層時(shí),心部拉應(yīng)力已經(jīng)在很大程 度上被釋放,裂紋失去了擴(kuò)展的動(dòng)力條件;表面滲碳 層呈壓應(yīng)力狀態(tài),阻止了裂紋擴(kuò)展;滲碳層硬度和強(qiáng)度都很高,不易開(kāi)裂。在滲碳淬火以及二次淬火時(shí), 材料內(nèi)部產(chǎn)生了較大的應(yīng)力,導(dǎo)致滾子內(nèi)部的發(fā)紋 擴(kuò)展,最終滾子發(fā)生開(kāi)裂[5-6]。

3 結(jié)論與建議

送檢滾子內(nèi)部存在發(fā)紋缺陷,在滲碳鋼特殊的 淬火應(yīng)力下,發(fā)紋擴(kuò)展,導(dǎo)致滾子發(fā)生開(kāi)裂,在無(wú)損 檢測(cè)時(shí)形成磁痕。

對(duì)于大尺寸、熱處理工藝較為復(fù)雜的滾子,建議 選用高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼,加強(qiáng)原材料檢驗(yàn),以避免淬火時(shí)產(chǎn) 生內(nèi)部裂紋。

參考文獻(xiàn):

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