8Cr4Mo4V鋼圓柱滾子外徑面點狀缺陷產生的原因及解決措施

楊樹新，王曄，李穎，孫麗杰

(1.中國航發哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025；2.哈爾濱電力職業技術學院，哈爾濱 150030)

衡量產品零件的主要指標之一是其可靠性和使用期限，很大程度上取決于零件的表面質量，而任何機械加工所得零件實際上都不是完全理想的表面，總存在一定程度的微觀不平、殘余應力、冷作硬化以及金相組織變化等問題[1]。盡管這些問題只產生在很薄的表層中，但錯綜復雜的影響著機械零件的精度、耐磨性和疲勞強度，從而影響其使用性能和壽命。對于滾動軸承這種精密產品，要滿足苛刻的工作條件，必須要有好的表面質量[2-3]。

某8Cr4Mo4V鋼圓柱滾子熱處理質量合格，但經超精研外徑面加工后，日光燈下觀察發現表面經常會出現一些黑色的點狀缺陷。在軸承滾子工作中，這種點狀缺陷會導致滾子最先在缺陷處發生疲勞破壞，引起軸承早期失效，嚴重影響軸承的使用壽命。

1 缺陷產生原因

圓柱滾子的加工工藝過程為：車成形→熱處理→粗磨外徑面→粗磨端面→細磨外徑面→精研端面→終磨外徑面→精研外徑面→超精研外徑面。可能產生點狀缺陷的情況有以下幾種。

1.1 表面磕碰傷

滾子在加工、運輸過程中，由于滾子倒角有尖棱，在防護不當的情況下滾子倒角部分與外徑面發生碰撞，會導致滾子外徑面產生有深度的缺陷。這種缺陷一般是不規則且隨機分布，肉眼觀察為條狀的、顏色發亮的外來損傷。

1.2 精研外徑面磨料傷

圓柱滾子在超精研外徑面前，為改善滾子外徑尺寸的一致性和圓度，有一道精研外徑面工序。

精研外徑面工序是無心研磨加工，滾子的加工表面與研磨工具之間產生相對滾動和滑動。同時均勻的加入研磨劑，在一定壓力下，固定在研磨工具表面上的研磨劑中的磨粒對工件表面進行切削和擠壓作用，從工件表面上切去極薄的一層金屬，獲得一定的表面粗糙度和精度。

研磨劑主要是由金剛砂或碳化硼與煤油按一定比例配成，若研磨劑中混入顆粒較大的磨料，就會使滾子外徑表面產生劃傷缺陷。

1.3 表面碳化物脫落

該材料合金成分較高，在材料冶煉過程中，其中Mo，V元素與碳易形成較大顆粒的一次碳化物，不僅堅硬，而且容易成片聚集，在磨粒作用下容易產生脫落，形成點狀缺陷[4]。

1.4 冶金缺陷

主要是材料本身帶來的缺陷，如材料裂紋、折疊、疏松、夾雜物等[5]，經過冷加工后暴露在表面。

2 結果與分析

針對以上可能產生的原因，以8Cr4Mo4V鋼制φ12 mm×12 mm滾子為例，分別采用體視顯微鏡、掃描電鏡、激光共聚焦顯微鏡對滾子點狀缺陷進行觀察和分析。

2.1 體視顯微鏡觀察與分析

選擇1粒經過超精研外徑面后表面存在點狀缺陷的滾子，放置在體視顯微鏡下對點狀缺陷放大63倍進行觀察。發現缺陷形狀呈不規則的圓形(圖1)，而磕碰傷一般是長條形且肉眼觀察為亮點。根據體視顯微鏡的觀測結果，判定圖1所示缺陷不是磕碰傷。

圖1 滾子工作表面缺陷形貌

2.2 掃描電鏡觀察與能譜分析

將有缺陷的滾子增加了一遍超精研加工(1#)，和未增加超精研加工(2#)的2種狀態滾子先后放置在掃描電鏡下用SE2探頭(二次電子探頭)進行觀察對比和分析。

經觀察發現,1#滾子缺陷痕跡比2#滾子更明顯，其微觀形貌如圖2所示。

用掃描電鏡AsB探頭(極靴整合的角度選擇性背散射探頭)對缺陷部分的元素進行分析。2粒滾子背散射下可見灰區、白區和黑區(圖3)。

對缺陷部分的材料成分進行能譜分析，結果表明，白區由Mo，V，Cr，C，Fe元素組成，推測為8Cr4Mo4V材料的共晶碳化物，灰區為8Cr4Mo4V基體成分，白區與灰區組織成分含量與狀態相符，而黑區成分中Si，C元素含量很高。

2粒滾子缺陷處高倍下可見多條劃痕和輾壓傷，形貌如圖4所示；另外滾子正常表面也存在黑區，但相對較少(圖5)。

圖4 缺陷處掃描電鏡形貌(SE2)

圖5 1#滾子正常工作表面掃描電鏡形貌(AsB)

能譜分析發現,滾子缺陷處存在與8Cr4Mo4V基體組織成分不同的高Si，C區域，通過掃描電鏡觀察分析,得出此缺陷為磨加工過程中外來磨粒在滾子表面輾壓形成，未見大尺寸夾雜物及其他冶金缺陷。

用于8Cr4Mo4V鋼精研外徑面工序的研磨料為碳化硼，而缺陷區域材料的異常元素為含量較高的Si和C，未見B的成分。因此可以初步判定，黑點的產生不是在精研外徑面工序產生的。

2.3 激光共聚焦顯微鏡觀察與分析

將有點狀缺陷的部分成品滾子進行補充磨加工，在去除0.01 mm的磨量后，再進行2遍超精研加工。

取2粒(3#和4#)未補充磨加工和3粒(5#,6#和7#)補充磨加工的滾子，用共聚焦顯微鏡對點狀缺陷深度變化進行對比分析，結果見表1。

表1 缺陷深度對比

由表1數據可知，補充磨加工后黑點缺陷的深度比磨前有所減小。

采用共聚焦顯微鏡分別對3#和5#滾子凹坑缺陷進行觀察，得到缺陷的直觀形貌(圖6)和3D形貌(圖7)；圖8為圖6的凹坑缺陷測量區域。分別選取圖8的直線a和直線b進行深度測量，如圖9和圖10所示。

圖6 凹坑直觀形貌(480×)

圖7 凹坑3D形貌

圖8 凹坑缺陷測量區域(全長0.256 mm)

圖9 3#滾子凹坑中直線a的深度測量結果

圖10 5#滾子凹坑中直線b的深度測量結果

由凹坑的3D形貌圖以及凹坑深度測量結果可以看出:黑點的深度由邊緣到中心逐漸變大，隨著精研與超精研的加工，凹坑深度逐漸變小。因此可以證明，凹坑不是精研和超精研工序產生的，也不是碳化物脫落。

2.4 磨加工狀態下的滾子表面形貌觀察

將僅經過磨加工(未超精)的滾子放置在體視顯微鏡下檢測，結果發現終磨后的滾子表面有多處黑色、彗星狀的缺陷，這種缺陷是在磨削工件表面時由較大砂輪顆粒形成的，俗稱砂輪花(圖11)。

圖11 終磨滾子外徑表面缺陷形貌(63×)

采用輪廓儀檢測滾子的表面粗糙度，發現其狀態圖上有較深的波紋，即為深度較大的砂輪花(圖12)。

圖12 終磨滾子表面粗糙度狀態圖

當砂輪花的深度超過精研、超精研工序留量時，雖然其邊緣會隨著后續加工研磨去除，但較深處還是會留在滾子外徑表面形成黑色的點狀缺陷。掃描電鏡檢測的Si，C含量較高,就是超精研油石在凹坑處的殘存物質。

3 解決措施

3.1 砂輪的選用

8Cr4Mo4V鋼比GCr15軸承鋼韌性大，磨削時容易粘砂輪。普通的國產剛玉砂輪由于切削力較差，在磨削8Cr4Mo4V鋼時容易產生尺寸不穩、燒傷等現象。為解決上述問題，經過對多個不同廠家的砂輪進行應用對比試驗，選用了某廠生產的P450×150×250C150K5AV18砂輪，雖然砂輪的粒度大于原有砂輪，但磨削的滾子粗糙度均勻，砂輪花的最深處小于0.02 mm。經超精加工后完全可以去除砂輪花痕跡，避免黑點缺陷的產生。

3.2 設備及加工參數的優化

將終磨外徑面的工序設備，由原有的普通無心磨床更換成高精度數控無心磨床，提高了滾子外徑面的加工精度。

原有無心磨床的進給精度為10 μm，數控無心磨床的進給精度為1 μm。為提高磨削表面質量，降低磨削表面粗糙度，將進給量由10 μm改為5 μm。不僅改善了滾子表面質量，避免產生深度較大的砂輪花，同時使終磨滾子的圓度公差由0.8 μm下降到0.5 μm，提高了滾子超精外徑面加工的均勻性，避免了黑點缺陷的產生。

4 結束語

經過對幾批滾子的加工試驗、檢測和分析，確定黑點缺陷是在終磨外徑面工序時產生的，主要是由于砂輪選用不當或者砂輪更換不及時，被砂輪粗大的磨粒磨削，導致滾子外徑表面砂輪花深度超過后工序加工留量，使砂輪花缺陷在超精工序未能去除所致。因此，選用合適的砂輪，控制好滾子外徑表面粗糙度以及砂輪花的深度，可有效避免滾子外徑面點狀缺陷的產生。