摘 要:在對軸承滲碳鋼滾子進行無損檢測時,發現滾子支柱孔內存在不同程度的表面磁痕。 採用宏觀觀察、化學成分分析、金相檢驗、硬度測試、低倍組織檢驗、掃描電鏡及能譜分析等方法,對 該滾子表面磁痕產生的原因進行分析。結果表明:滾子內部存在發紋缺陷,在滲碳淬火以及二次淬 火時,材料內部產生較大的應力,導致滾子內部的發紋擴展,最終發生開裂,在無損檢測時形成 磁痕。
關鍵詞:滲碳鋼;滾子;磁痕;發紋;皮下氣泡
中圖分類號:TB31;TG142.1+5 文獻標誌碼:B 文章編號:1001-4012(2023)01-0043-04
滾子是軸承運轉時承受負載的零件,也是軸 承中最薄弱的零件之一,滾子的質量對軸承的旋 轉精度、振動、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,主要用於製作大 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點,用 於製造承受較大衝擊負荷的軸承,如軋機、重型車 輛、鐵路機車、風力發電機、礦山機械的軸承等。 用滲碳鋼製作的軸承,除表面具有較高的硬度、疲 勞強度和良好的尺寸穩定性外,軸承內部還具有 較高的韌性[1]。
某公司在對一批成品滾子進行無損檢測時,發 現部分滾子支柱孔內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。成品滾子的規格(直徑×長度)為 56mm×104.5mm,內部支柱的直徑為18mm,其 宏觀形貌如圖1所示。成品滾子的滲碳層深度不小 於3mm。為確定磁痕產生的原因,對送檢的兩個 有異常磁痕分布的滾子進行了一系列理化檢驗,以 避免該類問題再次發生。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
將滾子沿裂紋打開後進行宏觀觀察,結果如圖2所示,可見整個斷口平齊,呈銀灰色細瓷狀;裂紋 源為一條微細裂紋,沿軸向分布,位於外徑和內徑的 中部,並靠近一側端面向四周擴展。
1.2 化學成分分析
採用SPECTRO M9型直讀光譜儀對滾子的表 面和心部進行化學成分分析,其中滾子表面碳元素 的質量分數為0.807%,心部材料的化學成分分析 結果如表1所示。可見滾子表面的碳元素含量符合 JB/T8881—2011《滾動軸承 零件滲碳熱處理 技術 條件》的要求(碳元素質量分數不小於0.80%),滾 子心部的化學成分符合GB/T3203—2016《滲碳軸 承鋼》的要求。
1.3 金相檢驗
採用線切割的方法對其中一個滾子進行切割, 然後對截面處的裂紋進行觀察,結果如圖3所示。 由圖3可知:滾子內部存在裂紋,裂紋分布在內徑、 外徑及端面之間,橫截面呈輻射狀,沿縱向發生開 裂;裂紋起源於內徑和外徑之間的中部位置,向內 徑、外徑及兩端面擴展;裂紋長度約為15mm,與內 徑、外徑及端面的距離分別為2.04,2.40,1.94mm。
將試樣截面磨製後,放置在光學顯微鏡下進行 觀察,可見裂紋主要沿晶界擴展,呈斷續狀分布,裂 紋兩側無夾雜、脫碳等異常現象(見圖4)。
依據GB/T3203—2016對滾子的原材料進行非金屬夾雜物評級,結果如表2所示;依據JB/T 8881—2011對滾子熱處理淬回火組織進行評級,結 果如表3所示,可見滾子的原材料和熱處理淬回火 組織均符合標準要求。
1.4 硬度測試
對滾子的滲碳層剖面進行硬度測試,結果如表 4所示,可見表面至58HRC的距離占總硬化層深 度的41.1%,符合技術要求(不小於40%)。對滾子 的表面和心部進行硬度測試,結果如表5所示,可見 滾子表面和心部的硬度均符合技術要求。
1.5 低倍組織檢驗
將金相檢驗後的試樣進行冷加工處理,然後按 照GB/T3203—2016的要求進行低倍組織檢驗,結 果如表6所示,可見試樣的低倍組織均符合標準要 求。
1.6 掃描電鏡(SEM)及能譜分析
將滾子斷口經超聲清洗、烘乾後,用SEM 進行 觀察,結果如圖5所示。由圖5可知:裂紋源區有一 條內壁疏鬆的細線狀缺陷,長度為3.694mm,缺陷 內物質為顆粒狀,形貌自然;缺陷外斷口呈脆性斷 裂,以缺陷為中心向四周擴展。
採用能譜儀對缺陷內及周圍物質進行分析,發 現缺陷內主要含有氧、鋁、鐵、鎳等元素(見圖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
由上述理化檢驗分析結果可知:送檢滾子內部 均存在裂紋,裂紋源位於滾子內徑與外徑之間的中 部位置,裂紋源為一條長度為3.694mm 的線狀缺 陷。根據缺陷的形貌及化學成分推測,該線狀缺陷 是鋼材冶煉過程中形成的針孔狀缺陷,是深層皮下 氣泡造成的,即發紋。
發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程中,隨金屬變形伸長而 形成的[2-3]。發紋經常出現在棒料或鍛件的表面,一 般為連續或斷續的直線,發紋距表面的深度越大,尖 端曲率半徑越小,材料越容易產生應力集中[4]。
滲碳鋼經淬火後,表面為壓應力,心部為拉應 力。滾子心部存在裂紋源,在淬火瞬間形成了強大 的拉應力,導致裂紋源失穩擴展,發展成內部開裂或 斷裂。滾子開裂面沒有穿過滲碳層的原因為:當內 部開裂擴展至滲碳層時,心部拉應力已經在很大程 度上被釋放,裂紋失去了擴展的動力條件;表面滲碳 層呈壓應力狀態,阻止了裂紋擴展;滲碳層硬度和強度都很高,不易開裂。在滲碳淬火以及二次淬火時, 材料內部產生了較大的應力,導致滾子內部的發紋 擴展,最終滾子發生開裂[5-6]。
3 結論與建議
送檢滾子內部存在發紋缺陷,在滲碳鋼特殊的 淬火應力下,發紋擴展,導致滾子發生開裂,在無損 檢測時形成磁痕。
對於大尺寸、熱處理工藝較為複雜的滾子,建議 選用高級優質鋼,加強原材料檢驗,以避免淬火時產 生內部裂紋。
參考文獻:
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[2] 余大江,蔡海燕,陸明和.LZ50鋼車軸發紋成因分析 [J].理化檢驗(物理分冊),2014,50(4):303-305.
[3] 鞠芳,張婷婷,羅婷,等.齒輪軸表面發紋產生原因 [J].理化檢驗(物理分冊),2021,57(8):69-71.
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[5] 仵永剛,盛偉,魏建文.4053160Y滾子柱面產生磁痕 的原因分析[J].軸承,2008(7):35-36.
[6] 閆德,陶慧芳,郝彭,等.帶支柱孔滲碳鋼滾子內裂分 析[J].軸承,2013(7):32-35.
<文章來源 >材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 1期 (pp:43-46)>