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特大型軸承中擋圈端面裂紋成因分析

某廠有一批特大型四列圓柱滾子軸承中擋圈磨加工后,在探傷工序發(fā)現(xiàn)批量性裂紋,該中擋圈材料為GCr15SiMn鋼,尺寸大小為:700mm×90mm,其加工工藝過程為:?300mm棒料入廠超聲波探傷→鋸切→鍛造成型→球化退火→車削加工→熱處理→磨削加工→熒光探傷→裝配。產(chǎn)品追溯過程中發(fā)現(xiàn)在熱處理工序及磨削加工工序檢查時(shí)均發(fā)現(xiàn)端面有裂紋。筆者通過對(duì)該中擋圈進(jìn)行檢驗(yàn)與分析,討論了裂紋產(chǎn)生的原因及改進(jìn)措施,為進(jìn)一步避免類似缺陷的再發(fā)生提供參考和依據(jù)。


1.理化檢驗(yàn)


(1)宏觀檢驗(yàn)

中擋圈在熒光探傷工序發(fā)現(xiàn)裂紋,觀察裂紋位于中擋圈端面,呈線狀并多沿圓周方向分布,裂紋長短不一,最長約20cm,其宏觀形貌如圖1所示;且在端面發(fā)現(xiàn)有明顯的車刀花,制成金相試樣,檢測(cè)其深度約0.05mm,如圖2所示。



(2)化學(xué)成分分析

在中擋圈裂紋處進(jìn)行取樣,大小為15mm×15mm×15mm。采用直讀光譜儀檢驗(yàn)化學(xué)成分,其結(jié)果見表1。該材料的化學(xué)成分除Ti元素超出標(biāo)準(zhǔn)外,其余元素均符合GB/T 182454—2002標(biāo)準(zhǔn)要求。

中擋圈的主要化學(xué)成分    %

項(xiàng)目

C

Mn

Si

Cr

Mo

P

S

Ni

Cu

Ti

實(shí)測(cè)值

0.94

1.11

0.45

1.43

0.08

0.017

0.001

0.14

0.10

0.015

標(biāo)準(zhǔn)值

0.951.05

0.951.03

0.450.75

1.401.65

0.10

0.025

0.025

0.230

0.25

0.005

(3)非金屬夾雜物檢驗(yàn)

在裂紋部位制取金相試樣后,在光學(xué)顯微鏡下觀察,其非金屬夾雜物級(jí)別依據(jù)材料標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18254—2002評(píng)定,結(jié)果如表2所示。

中擋圈非金屬夾雜物評(píng)定

項(xiàng)目

A

B

C

D

Ds

粗細(xì)

細(xì)系

粗細(xì)

細(xì)系

粗細(xì)

細(xì)系

粗細(xì)

細(xì)系

粗細(xì)

細(xì)系

中擋圈

0

0.5

0

0.5

0

0.5

0

0.5

0

1.5

標(biāo)準(zhǔn)值

2.5

1.5

2.0

1.0

0.5

0.5

1.0

1.0

1.0

1.0

 

(4)金相檢驗(yàn) 

制取金相試樣后在光學(xué)顯微鏡下觀察,可見裂紋呈撕裂狀,大致垂直于擋圈表面,尾部尖細(xì),其內(nèi)未發(fā)現(xiàn)氧化皮,裂紋內(nèi)部及其附近局部有非金屬夾雜物,裂紋深淺不一,深度最深約11mm,其局部形貌如圖3所示。



采用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液侵蝕試樣后在顯微鏡下觀察,裂紋兩側(cè)未發(fā)現(xiàn)脫貧碳及燒傷現(xiàn)象。觀察金相組織發(fā)現(xiàn)裂紋附近有明顯大塊狀液析碳化物,依據(jù)JB/T18254—2002標(biāo)準(zhǔn)第九級(jí)別圖評(píng)定,液析級(jí)別為2.5級(jí)(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定≤2.5級(jí)),其形貌如圖4中箭頭所示。而金相組織為馬氏體組織,級(jí)別為2級(jí),不存在過熱現(xiàn)象,產(chǎn)品硬度檢驗(yàn)為58~59HRC,符合技術(shù)要求。


(5)斷口觀察

沿裂紋方向砸制斷口,其斷口形貌如圖5所示,低倍觀察,斷口表現(xiàn)為脆性斷口,裂紋由刀花底部向心部擴(kuò)展,并在后續(xù)擴(kuò)展中大致與車刀花方向一致。



2.分析討論


由于車刀花過深,會(huì)引起套圈熱處理過程中應(yīng)力分布不均,在淬火冷卻過程中,極易沿車刀花應(yīng)力集中部位開裂。


由上面的內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)可知,雖然中擋圈材料的化學(xué)成分滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,但其非金屬夾雜物D細(xì)系超過標(biāo)準(zhǔn)要求,且裂紋周圍存在著非金屬夾雜物DS的顆粒偏大;由于該類夾雜物屬于脆性夾雜物,與基體的膨脹系數(shù)相差較大,容易造成應(yīng)力集中,若該類夾雜物處于中擋圈次表層,熱處理過程中可能成為裂紋萌生源[1-4]。而金相檢驗(yàn)組織也接近工件的次表面。由于碳化物液析的存在與脆性夾雜物對(duì)基體的影響相似,在很大程度上隔離了基體的連續(xù)性,造成應(yīng)力集中,極易成為裂紋萌生源[5-6]。因此,該批量裂紋的產(chǎn)生主要原因與原材料的超標(biāo)有很大關(guān)系。


由于原材料非金屬夾雜物D類超標(biāo),且裂紋區(qū)域存在偏大的顆粒非金屬夾雜物D類,加上裂紋附近有大塊狀液析,破壞了基體的連續(xù)性,以上因素的共同作用,致使套圈在熱處理淬火冷卻過程中,于材料缺陷區(qū)域產(chǎn)生較大的淬火應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度而導(dǎo)致開裂。


3.結(jié)論及建議


該中擋圈端面圓周方向的淬火裂紋,是由于套圈車刀花過深及原材料缺陷,破壞了基體的連續(xù)性,使得熱處理過程中在刀花底部產(chǎn)生應(yīng)力集中,從而產(chǎn)生此類裂紋。


建議在原材料進(jìn)廠檢驗(yàn)時(shí),應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)加強(qiáng)進(jìn)廠檢驗(yàn);車加工過程嚴(yán)格按照工藝規(guī)程操作,控制車工件的表面質(zhì)量,降低套圈表面應(yīng)力集中,避免此類非熱處理原因?qū)е碌拇慊鹆鸭y發(fā)生。


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