滲碳鋼軸承套圈白斑原因分析

■ 曾朝凡，龔建勛，張 玲，焦晶明，陳文君，黃 莉，王 超

某重點(diǎn)產(chǎn)品軸承套圈，材料為20CrNi2MoA滲碳鋼，其加工工藝流程：原材料進(jìn)廠檢驗(yàn)→鍛造→車加工→滲碳及二次淬火、回火→初磨→酸洗抽檢→細(xì)磨→無損檢測(cè)→磷化處理。眾所周知，軸承零件若其表面存在軟點(diǎn)、燒傷、貧碳等性質(zhì)的缺陷，則通過酸洗檢驗(yàn)工序可顯示。正常情況下，經(jīng)過酸洗工序后，滲碳鋼制軸承零件表面應(yīng)呈現(xiàn)均勻一致的灰色；然而該批次產(chǎn)品卻在酸洗檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，軸承內(nèi)外套圈的外徑表面大多呈現(xiàn)白斑現(xiàn)象，同時(shí)在套圈的滾道面上也存在此類現(xiàn)象。因此，對(duì)其白斑樣件進(jìn)行了宏觀、微觀檢驗(yàn)分析，找出了產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，并提出了此類缺陷的預(yù)防措施。

1.理化檢驗(yàn)

（1）宏觀檢驗(yàn) 套圈初磨后，酸洗檢驗(yàn)主要是為了檢查磨削過程中，是否存在產(chǎn)品磨削加工的燒傷缺陷，但本次檢驗(yàn)卻發(fā)現(xiàn)比例較大的白斑缺陷，與常規(guī)的磨削燒傷缺陷形貌完全不同；從產(chǎn)生的部位來看，同一批次的外圈及內(nèi)圈酸洗檢驗(yàn)均出現(xiàn)此類現(xiàn)象，且外圈大多分布在外徑面、滾道面，內(nèi)圈大多分布在內(nèi)徑面及滾道面。外觀檢查，白斑位于套圈表面，呈大片狀或塊狀分布，形貌如圖1所示，圖1a為外圈外徑面白斑形貌，圖1b為內(nèi)圈滾道面白斑形貌。

（2）成分分析 在套圈正常部位進(jìn)行取樣，原材料化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示，可見其主要化學(xué)成分符合《TB/T 2235—2016鐵道車輛滾動(dòng)軸承》有關(guān)G20CrNi2MoA電渣重熔軸承鋼成分的技術(shù)要求。采用電子探針對(duì)外圈的白區(qū)和正常區(qū)化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示，顯然白區(qū)的含碳量低于《JB/T8881—2011滾動(dòng)軸承 零件滲碳熱處理 技術(shù)條件》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值。

圖1 套圈白斑形貌

表1 軸承套圈的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 外圈白斑區(qū)和正常區(qū)主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（3）非金屬夾雜檢驗(yàn) 制取缺陷部位的金相試樣，觀察其縱向剖面非金屬夾雜物，依據(jù)G B／T10561—2005／ISO4967：1998(E)中的實(shí)際檢驗(yàn)A法進(jìn)行非金屬夾雜物含量評(píng)定，結(jié)果如表3所示，可見軸承零件的非金屬夾雜物級(jí)別符合《TB/T2235—2016鐵道車輛滾動(dòng)軸承》的技術(shù)條件要求。

（4）淬硬層輪廓形貌 沿白斑套圈高度方向，制取缺陷套圈的金相試樣；要求既能觀察白斑區(qū)域，又能觀察正常區(qū)域的金相組織。采用4%硝酸酒精腐蝕縱截面后，軸承內(nèi)外圈縱截面淬硬層輪廓形貌如圖2所示。圖2a為外徑面白斑缺陷的外圈其縱截面的淬硬層輪廓分布形貌，圖2b為滾道面白斑缺陷的內(nèi)圈其縱截面的淬硬層輪廓分布形貌；可見無論是外圈還是內(nèi)圈，低倍下觀察，其白斑區(qū)域?qū)?yīng)的淬硬層輪廓明顯不同于正常區(qū)域，且白斑區(qū)淬硬層輪廓層深分布低于正常區(qū)淬硬層輪廓的層深分布。

（5）金相檢驗(yàn) 在顯微鏡下觀察外圈及內(nèi)圈截面滲層組織形貌，如圖3所示。圖3a和3b分別代表外圈外徑截面白斑區(qū)域和正常區(qū)域500倍時(shí)的金相組織形貌，沒有觀察到差異性組織。表面組織為隱晶狀或細(xì)針狀馬氏體+均勻分布的細(xì)粒狀碳化物+少量殘留奧氏體組織構(gòu)成。按照《JB/T8881—2011滾動(dòng)軸承 零件滲碳熱處理 技術(shù)條件》第五級(jí)別圖進(jìn)行評(píng)定，內(nèi)外圈表層組織均為2級(jí)，合格；表面組織既沒有粗大碳化物，也沒有網(wǎng)狀碳化物。圖3c和3d分別代表內(nèi)圈滾道截面白斑區(qū)域和正常區(qū)域500倍時(shí)的金相組織形貌，也沒有看到有明顯的差異性組織。按照《JB/T8881—2011滾動(dòng)軸承 零件滲碳熱處理 技術(shù)條件》進(jìn)行評(píng)定，均合格。

（6）表面硬度及淬硬層深度 用維氏硬度計(jì)檢測(cè)軸承內(nèi)外圈縱截面的表面硬度及淬硬層的梯度分布，并且對(duì)軸承內(nèi)外圈的白斑區(qū)和顏色正常區(qū)域分別進(jìn)行了檢測(cè)，其白斑區(qū)和正常區(qū)表面硬度及淬硬層深度對(duì)比結(jié)果如表4所示，外圈白斑區(qū)與正常區(qū)域淬硬層梯度曲線對(duì)比如圖4所示，圖4a為外圈白斑區(qū)淬硬層硬度梯度曲線，圖4b為外圈正常區(qū)淬硬層硬度梯度曲線。

表3 非金屬夾雜物級(jí)別

圖2 淬硬層輪廓形貌

圖3 內(nèi)外圈滾道截面組織形貌

2.分析與討論

為了獲得良好的滲碳質(zhì)量，大型軸承套圈大都采用推桿式連續(xù)式氣體滲碳爐進(jìn)行滲碳，氣體滲碳爐除了應(yīng)滿足有效加熱區(qū)爐溫均勻度要求外，利用氧探頭、各類型的碳控儀，調(diào)整滲碳周期，從而實(shí)現(xiàn)控制爐氣碳勢(shì)，控制工件表面含碳量、滲碳層淬硬層深度、表層碳濃度梯度，滿足滲碳層金相組織、層深均勻性及表面硬度均勻性，使其達(dá)到產(chǎn)品規(guī)定的技術(shù)要求。

滲碳鋼制套圈進(jìn)入推桿式連續(xù)式氣體滲碳爐生產(chǎn)線熱處理時(shí)，需要依次進(jìn)入如下流程：前清洗、預(yù)氧化、加熱區(qū)、滲碳、擴(kuò)散降溫、一次淬火、后清洗、低溫回火，其中置于滲碳爐內(nèi)的滲碳?xì)夥罩校⑦M(jìn)行加熱、滲碳、擴(kuò)散，使活性碳原子吸附于工件表面并滲入表層，經(jīng)擴(kuò)散達(dá)到一定的滲碳層深度和表面碳濃度，然后進(jìn)行二次淬火和回火從而獲得產(chǎn)品預(yù)期的使用性能。軸承套圈滲碳工序控制好的產(chǎn)品可以獲得均勻的表面滲碳質(zhì)量，無論是內(nèi)圈還是外圈在進(jìn)行二次淬回火后均可以達(dá)到所要求的表面組織，即按照《JB/T8881—2011滾動(dòng)軸承 零件滲碳熱處理 技術(shù)條件》評(píng)定的合格組織，同時(shí)表面硬度及滲碳均勻性均能達(dá)到如表4要求的標(biāo)準(zhǔn)值。

從金相組織來看，對(duì)比正常區(qū)與白斑區(qū)的組織，均沒有發(fā)現(xiàn)屈氏體組織、脫碳組織的特征以及因磨削燒傷所導(dǎo)致的組織變化，從這一點(diǎn)可以說明，套圈經(jīng)二次淬火工序，軸承套圈的正常區(qū)與白斑區(qū)其二次淬火的加熱、冷卻條件是一致的，且滲碳過程及隨后的二次淬火加熱均沒有發(fā)現(xiàn)表面脫碳的特征；磨削加工過程中沒有產(chǎn)生燒傷組織，說明磨削加工工藝正常，對(duì)其表面硬度沒有產(chǎn)生不良影響，由此可以排除二次淬火工序及磨加工工序?qū)Ρ砻嬗捕燃皾B碳均勻性的影響。

用維氏硬度法檢測(cè)了同一零件不同區(qū)域處，距工件表面0.10mm表面硬度以及淬硬層層深。然而在本批次產(chǎn)品的加工過程中，實(shí)物試樣表面硬度局部沒有達(dá)到要求及同一零件的淬硬層深度也不合格（見表4實(shí)測(cè)值）；依據(jù)《JB/T10175—2008熱處理質(zhì)量控制要求》，對(duì)于推桿爐正常氣體滲碳，滲層深度極限偏差應(yīng)滿足≤±0.15mm的要求，由表4可以看出，同一零件的滲碳均勻性極限偏差顯然超出標(biāo)準(zhǔn)值。由于軸承套圈裝架時(shí)采用內(nèi)外圈套裝，均為一個(gè)滲碳爐次，因此內(nèi)外套圈均出現(xiàn)了白斑現(xiàn)象，這與滲碳時(shí)的滲層不均勻有關(guān)。滲層不均勻的表現(xiàn)為兩種：滲層深度的不均勻和滲層成分不均勻，這種缺陷都會(huì)造成零件的硬度、耐磨性、抗疲勞性能不一致，在工件的服役期會(huì)導(dǎo)致早期破壞。該批次缺陷樣件這兩種情況均有之。

滲碳是一個(gè)動(dòng)力學(xué)過程。它包括兩個(gè)階段：一是碳原子從氣相傳遞到零件表面；二是碳原子從表面向內(nèi)部擴(kuò)散。顯然在套圈白斑區(qū)的滲碳過程中，從碳原子的氣相傳遞或者表面碳原子的擴(kuò)散均低于正常區(qū)域的滲碳速度。軸承套圈白斑區(qū)域滾道表面硬度較低，且滲碳層深度較淺，軸承接觸疲勞壽命會(huì)大大降低，在軸承的使用過程中易產(chǎn)生剝落引起早期失效。

表4 表面硬度及淬硬層深度對(duì)比

圖4 淬硬層梯度曲線對(duì)比

3.結(jié)語

（1）綜合以上分析，軸承套圈白斑的產(chǎn)生是套圈滲碳工序中由于滲碳不均勻?qū)е碌娜毕荨?/p>

（2）軸承套圈白斑區(qū)域相對(duì)于正常區(qū)域其滾道表面硬度降低，且滲碳層深度較淺，這將使軸承接觸疲勞壽命會(huì)大大降低，軸承在使用過程中易產(chǎn)生剝落引起早期失效。

（3）從對(duì)現(xiàn)場(chǎng)滲碳過程中的工藝調(diào)查可以看到，影響滲碳不均勻的原因有兩種：一種是工件入爐前的表面質(zhì)量，另一種是滲碳爐氣氛的異常，因此應(yīng)從這兩個(gè)方面加強(qiáng)對(duì)滲碳工序的產(chǎn)品質(zhì)量控制，避免此類缺陷的發(fā)生。