鍛造成形方式對外圈滾道周向非相關(guān)磁痕的影響

張玲，楊爭，陳學(xué)武，陳治山，劉菁

（1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039；2.航空精密軸承國家重點實驗室，河南 洛陽 471039）

軸承套圈在磁粉探傷過程中，雖然非相關(guān)磁痕相對于相關(guān)磁痕的發(fā)生率很低，但也時有發(fā)生。非相關(guān)磁痕不是來源于真正的缺陷，但用戶在驗收時極為嚴(yán)格。在大型圓柱滾子軸承的制造過程中，外圈鍛造成形方式對滾道周向非相關(guān)磁痕的產(chǎn)生影響較大。大型軸承外圈常見的鍛造成形方式有1 t錘自由鍛和1 000 t壓力機(jī)。自由鍛鍛造成形時，采用緩慢的變形速度和較小的變形力，具有靈活性、適應(yīng)性強(qiáng)的特點，可以更好地滿足用戶要求；壓力機(jī)鍛造成形由于生產(chǎn)效率高，也逐漸被推廣使用。當(dāng)外圈使用壓力機(jī)成形時，磁粉探傷發(fā)現(xiàn)其滾道部位常存在大面積、均沿圓周方向分布的多條短線狀磁痕，針對樣圈進(jìn)行了多次分析及相關(guān)工藝試驗，證明不同鍛造方式對此類批量磁痕的產(chǎn)生有影響，為此，進(jìn)一步開展了相關(guān)鍛造工藝試驗，并加以驗證。

1 試驗

1.1 試樣材料及狀態(tài)

試樣材料采用GCr18Mo電渣重熔鋼，共進(jìn)行兩批次試驗，每次試驗均選擇鋼廠提供的同一母爐號的原材料組批。材料進(jìn)廠檢驗其化學(xué)成分及非金屬夾雜等項目均符合TB／T 3010—2001《鐵道車輛滾動軸承高碳鉻軸承鋼訂貨技術(shù)條件》要求。材料狀態(tài)為熱軋退火態(tài)，棒料直徑為110 mm。該批原材料采用多臺階塔形試樣進(jìn)行熒光探傷［1］，無帶狀碳化物磁痕，均符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 鍛造工藝及成形設(shè)備

外圈外徑為250 mm，其鍛造工藝流程：下料→中頻感應(yīng)加熱→鍛造成形（鐓粗→沖孔→擴(kuò)孔→整徑）→正火→退火。分別采用1 t錘自由鍛生產(chǎn)線（簡稱自由鍛）和1 000 t壓力機(jī)生產(chǎn)線（簡稱壓力機(jī)）進(jìn)行鍛造成形。

1.3 試驗步驟

1）采用壓力機(jī)和自由鍛2種外圈成形方式進(jìn)行對比試驗；

2）改變壓力機(jī)凸模，采用壓力機(jī)成形模式進(jìn)行試驗；

3）進(jìn)行磁痕樣圈（壓力機(jī)成形產(chǎn)生）和無磁痕樣圈（自由鍛成形產(chǎn)生）的流線對比試驗。

所有試驗批次產(chǎn)品給予標(biāo)識，在各工序單獨移動跟蹤。鍛造工序中始鍛溫度和終鍛溫度工藝參數(shù)不變，擴(kuò)孔及整徑工序工藝也不變。

2 試驗結(jié)果

2.1 不同鍛造成形方式的影響

熱處理和磨加工工藝及探傷方法均相同，分別采用2種鍛造成形方式后，對外圈進(jìn)行磁粉探傷，其滾道周向非相關(guān)磁痕的廢品率統(tǒng)計結(jié)果見表1。由表可知，不同鍛造成形方式會影響外圈滾道的周向磁痕廢品率，壓力機(jī)鍛造成形的外圈滾道周向磁痕廢品率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于1 t錘的自由鍛成形模式。

表1 磁痕廢品率統(tǒng)計Tab.1 Statistics on rejection rate of magnetic mark

2.2 改變壓力機(jī)凸模后的影響

為了降低壓力機(jī)鍛造成形產(chǎn)生的磁痕廢品率，第1次試驗采用縮短壓力機(jī)的凸模高度，增大沖孔時穿掉的料芯直徑的方法。考慮到自由鍛錘凸模帶角度的特點，第2次工藝試驗適當(dāng)增加沖孔凸模角度，以改善滾道部位流線變形方向。由表1可知，改變壓力機(jī)凸模，仍然采用壓力機(jī)成形，對外圈滾道周向磁痕的廢品率沒有產(chǎn)生積極效果。

2.3 外圈流線分析結(jié)果

選擇自由鍛的無磁痕外圈和壓力機(jī)的磁痕外圈各一件，沿外圈高度方向切取整條試樣，細(xì)磨加工后，進(jìn)行熱酸洗工藝試驗，觀察其流線分布如圖1所示。由圖可知，無磁痕樣圈金屬流線的縱斷面流線分布合理，均沿材料軋制方向分布，油溝部位局部收斂，沒有明顯的流線沿滾道處斷裂和露頭等異常現(xiàn)象（圖1a）；磁痕樣圈滾道處金屬流線有露頭現(xiàn)象（圖1b、圖1c）。為了進(jìn)一步了解磁痕樣圈縱斷面的帶狀組織情況，沿外圈高度方向1／2處截斷整條試樣，磨制縱斷面觀察磁痕處是否有帶狀碳化物，結(jié)果如圖2所示。由圖可知，滾道處帶狀碳化物組織與滾道面呈一定的角度分布，大致與滾道縱截面的流線方向一致（圖2b）。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，鍛造流線沿滾道處斷裂，正好是原材料帶狀組織周向斷開處。

圖1 流線分布Fig.1 Stream line distribution

圖2 外圈周向磁痕形貌及帶狀組織分布Fig.2 Morphology of circumfer ential magnetic mark and distribution of banded structure

3 分析討論

由于外圈在1 000 t壓力機(jī)鍛造鐓粗及沖孔成形時承受的力更大，尤其在沖孔成形時只有一次成形過程；而1 t自由鍛鐓粗過程屬于多次打擊，反復(fù)鐓粗，逐步改變坯料的形狀。此外，在沖孔工序時，1 t錘自由鍛采用多次翻轉(zhuǎn)沖孔；1 000 t壓力機(jī)屬于單次沖孔。因此，不同的鍛造成形方式會影響外圈滾道處的流線分布規(guī)律。1 000 t壓力機(jī)成形，在外圈滾道面處流線相對更易產(chǎn)生斷裂，這從流線分析結(jié)果得以證明。總之，外圈在壓力機(jī)鍛造成形時承受較大的沖擊力，由于成形過程變形次數(shù)少，單次變形程度較大，變形速度快；自由鍛為多次鐓粗和沖孔，每次變形程度較小，鍛造變形速度也較緩慢。不同的鍛造工藝方法，雖然宏觀上的鍛造變形量區(qū)別不明顯，但微觀上金屬的變形程度差異較大［2］。

雖然壓力機(jī)成形時進(jìn)行了模具改進(jìn)，但對外圈滾道流線的分布沒有產(chǎn)生積極的影響。從流線試驗結(jié)果可知，磁痕外圈截面滾道處流線并未沿軸向方向分布，而是與滾道面呈現(xiàn)交叉模式。從金相組織可知，磁痕樣圈縱截面的帶狀碳化物組織與滾道面呈現(xiàn)交叉模式；無磁痕樣件的帶狀碳化物組織沿軸向方向分布。總之，分布在滾道面上的帶狀碳化物組織均與滾道交叉，露頭后形成大量沿外圈滾道面周向分布的磁痕（圖2a）。

金屬的雜質(zhì)、化合物、偏析等在低倍試片上沿主變形流動方向呈纖維狀分布的組織，稱為金屬纖維組織或流線［3］。電渣鋼由于組織雜質(zhì)較少，相對于真空脫氣等其他冶煉方式的軸承鋼，其材料流線分布并不清晰。對于采用電渣重熔方法冶煉的軸承鋼，形成流線的條件是：1）金屬內(nèi)存在一定級別的帶狀組織偏析；2）鍛造過程中沿某一方向有足夠大的變形程度。金屬流線的分布取決于鍛壓工具和變形工藝［3］，為了保證流線的分布更為合理，應(yīng)選擇能夠反復(fù)鐓粗及多次沖孔的鍛造成形模式，故根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備，1 t錘自由鍛是最佳的鍛造模式。

相比之下，自由鍛成形可以獲得較好的外圈金屬流線分布，流線大多平行于軸向方向，其中帶狀碳化物組織也是沿軸向分布；產(chǎn)生磁痕的主要原因是由于帶狀碳化物組織沿流線方向分布，因此，采用自由鍛成形可以消除不合理的流線分布，從而降低外圈滾道周向磁痕的發(fā)生率。

4 結(jié)論

1）壓力機(jī)鍛造成形軸承外圈易導(dǎo)致滾道周向產(chǎn)生非相關(guān)磁痕。

2）優(yōu)化沖孔沖頭設(shè)計對減少滾道周向非相關(guān)磁痕沒有作用。

3）自由鍛鍛造成形方式是減少滾道周向非相關(guān)磁痕的最佳鍛造方式。