40Cr鋼軸承擋圈車削硬質點產生原因分析

[西寧特殊鋼股份有限公司 技術質量中心實驗室(青海省重點實驗室), 西寧 810005]

軸承擋圈主要用來定位和固定軸端零件，可承受劇烈的振動和沖擊載荷。某軸承公司在生產40Cr鋼軸承擋圈時，發現某批次軸承擋圈中有部分軸承擋圈存在車削硬質點情況，無法進行車削加工。為找出車削硬質點形成原因，筆者對該批次軸承擋圈進行了一系列檢驗與分析，以期軸承擋圈不再產生車削硬質點。

1 理化檢驗

1.1 化學成分分析

取該批次存在車削硬質點的軸承擋圈5個，分別編號為1～5號。采用斯派克M10型直讀光譜儀對3,4,5號試樣進行化學成分成分，結果見表2。可見3,4,5號試樣的化學成分均符合GB/T 3077—2015《合金結構鋼》對40Cr鋼的成分要求。

1.2 硬度測試

對5個車削硬質點軸承擋圈的兩端面進行硬度測試，2,4號試樣用10 mm壓頭測試硬度，1,3,5號試樣用5 mm壓頭測試硬度，結果見表2。可見同一個試樣的兩個端面的硬度相差不大，5個試樣中3號試樣的硬度較高，平均值為228 HRB，1號和5號試樣的硬度相當，分別為207,205 HRB，2號和4號試樣的硬度相當，分別為214,215 HRB。

1.3 金相檢驗

在3,4,5號試樣上截取金相試樣，對其進行金相檢驗，非金屬夾雜物檢驗結果見表3。按GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定——標準評級圖顯微檢驗法》對夾雜物進行評級，可知試樣中非金屬夾雜物較小且級別低，該車削硬質點軸承擋圈的材料純凈度較高。

表1 車削硬質點軸承擋圈的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of bearing retaining ring with turning hard point (mass fraction) %

表2 車削硬質點軸承擋圈的硬度測試結果Tab.2 Hardness test results of bearing retaining ring with turning hard point HRB

表3 非金屬夾雜物檢驗結果Tab.3 Test results of nonmetallic inclusions 級

對3號金相試樣的內、外圈進行金相檢驗，如圖1和圖2所示。可見試樣3內、外圈顯微組織較為均勻且相差不大。

圖1 試樣3外圈縱向顯微組織形貌Fig.1 Longitudinal microstructure morphology of sample 3 outer ring: a) location 1; b) location 2; c) location 3

圖2 試樣3內圈縱向顯微組織形貌Fig.2 Longitudinal microstructure morphology of sample 3 inner ring: a) location 1; b) location 2; c) location 3

對4號金相試樣的內、外圈進行金相檢驗，如圖3、圖4和圖5所示。可見試樣外圈部分較內圈部分珠光體比例大；在縱向組織形貌中，試樣內圈帶狀組織較多，與外圈相比，內圈珠光體比例較小，位置1到位置3的珠光體比例不一，說明4號軸承擋圈的組織均勻性較差。

圖3 試樣4外圈縱向顯微組織形貌Fig.3 Longitudinal microstructure morphology of sample 4 outer ring: a) location 1; b) location 2; c) location 3

圖4 試樣4內圈縱向顯微組織形貌Fig.4 Longitudinal microstructure morphology of sample 4 inner ring: a) location 1; b) location 2; c) location 3

圖5 試樣4橫向顯微組織形貌Fig.5 Transverse microstructure morphology of sample 4: a) outer ring; b) inner ring

對5號金相試樣的內、外圈進行金相檢驗，如圖6、圖7和圖8所示。可見試樣外圈部分珠光體比例大；在縱向顯微組織中，外圈珠光體組織比例大；試樣外部易車削的部位與難車削相比，珠光體組織比例逐漸增大，有明顯過渡帶；內外部相比，外部珠光體占比高；試樣內部易車削的部位有鐵素體帶狀組織，逐漸向難車削部位過渡，在難車削部位消失。

1.4 車削硬質點分析

切取試樣3的車削硬質點部位試樣，清洗后可見車削硬質點部位有明顯的金屬光澤，如圖9所示，可見異金屬是鑲嵌到基體里面的。車削硬質點處的顯微組織形貌如圖10所示，化學成分見表4。車削硬質點處的顯微硬度為667 HRB，基體的顯微硬度為334 HRB，車削硬質點處的硬度與基體的相差非常大。車削硬質點處為含鉻和鎳的異金屬夾雜物。由圖10可知，車削硬質點處的顯微組織為馬氏體+顆粒狀碳化物，與基體的顯微組織有明顯區別。

圖6 試樣5外圈縱向顯微組織形貌Fig.6 Longitudinal microstructure morphology of sample 5 outer ring: a) easy turning location 1; b) transitional location 2; c) hard turning location 3

圖7 試樣5內圈縱向顯微組織形貌Fig.7 Longitudinal microstructure morphology of sample 5 inner ring: a) easy turning location 1; b) transitional location 2; c) hard turning location 3

圖8 試樣5橫向顯微組織形貌Fig.8 Transverse microstructure morphology of sample 5: a) outer ring; b) inner ring

圖9 車削硬質點處宏觀形貌Fig.9 Macro morphology of turning hard point

圖10 車削硬質點處顯微組織形貌Fig.10 Microstructure morphology of turning hard point location

表4 車削硬質點及基體的化學成分(質量分數)Tab.4 Chemical compositions of turning hard point and base (mass fraction) %

2 分析與討論

存在車削硬質點軸承擋圈的化學成分符合GB/T 3077—2015的技術要求。硬度測試結果表明該批軸承擋圈的硬度差別不大。存在車削硬質點的軸承擋圈的非金屬夾雜物含量也符合GB/T 3077—2015的技術要求，材料純凈度高。經調查，該批軸承擋圈材料的冶煉質量正常。

金相檢驗結果表明試樣的內外圈縱向顯微組織比較均勻，珠光體比例高；4號、5號試樣橫向、縱向顯微組織中，試樣外部珠光體比例高，內圈有鐵素體帶狀組織；內外圈從檢驗位置1～位置3，珠光體比例逐漸增大；試樣5外部易車削的部位與難車削相比，珠光體比例逐漸增大，有明顯過渡帶。由顯微組織面貌分析可知，試樣不易車削加工的部位珠光體比例高，珠光體硬而脆，大量珠光體的存在是不易車削加工的主因。試樣中各部位顯微組織不均勻，且珠光體比例高，說明試樣顯微組織存在明顯成分偏析，這種成分偏析造成顯微硬度分布不均，在切削過程中，刀具產生抖動，從而惡化車削加工質量。

軸承擋圈鍛造時，因感應加熱操作或工藝設計不當，致使鋼材的外圈上溫度偏高甚至出現過熱。加熱溫度高，奧氏體粗大，加工后在冷卻速度較快時先共析鐵素體沿粗大奧氏體析出，在較快冷卻速度下，先共析鐵素體數量減少，珠光體數量增加，從而造成珠光體比例高。

基體的顯微硬度為334 HRB，車削硬質點的顯微硬度為667 HRB，硬度差異大，車削硬質點的主要成分為鉻和鎳，顯微組織為馬氏體+顆粒狀碳化物，外貌形態看，車削硬質點鑲嵌到基體里面，車削硬質點化學成分和顯微組織與基體有明顯區別，屬于異金屬夾雜。

車削硬質點處含有較高的鉻和鎳元素，這樣的材料一般用來做軋輥、導輪或其他零件。分析認為，此異金屬夾雜物為軋制過程中，零件緊固不好，遇到軋制過程的外力沖擊，導致零件部分脫落，在高速軋制過程中被瞬間壓入鋼材中，從而造成異金屬夾雜。

3 結論

該40Cr鋼軸承擋圈車削硬質點為異金屬壓入所致，應該是在鋼材軋制過程中，生產線的零件緊固不好，遇到軋制過程的外力沖擊，使得零件部分脫落，在高速軋制過程中被瞬間壓入鋼材，最終導致該40Cr鋼軸承擋圈產生車削硬質點。

建議在鋼材軋制生產線的檢修中對設備零件進行緊固，以防止零件脫落被壓入鋼材的情況發生。