軸承滲碳鋼滾子支柱孔表面磁痕的產生原因

高秋然,劉璐瑤,李慶林,馬明陽,梁 華

(洛陽軸承研究所有限公司 制造服務事業部，洛陽 471039)

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，主要用于制作大型軸承。

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，用于制造承受較大沖擊負荷的軸承，如軋機、重型車輛、鐵路機車、風力發電機、礦山機械的軸承等。用滲碳鋼制作的軸承，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60 mm)為G20Cr2Ni4鋼。成品滾子的規格(直徑×長度)為56 mm×104.5 mm，內部支柱的直徑為18 mm，其宏觀形貌如圖1所示。成品滾子的滲碳層深度不小于3 mm。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。

圖1 成品滾子的宏觀形貌

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

將滾子沿裂紋打開后進行宏觀觀察，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，位于外徑和內徑的中部，并靠近一側端面向四周擴展。

圖2 滾子斷口的宏觀形貌

1.2 化學成分分析

采用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/T 8881—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于0.80%)，滾子心部的化學成分符合GB/T 3203—2016 《滲碳軸承鋼》的要求。

表1 滾子心部材料的化學成分分析結果 %

1.3 金相檢驗

采用線切割的方法對其中一個滾子進行切割，然后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；裂紋起源于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15 mm，與內徑、外徑及端面的距離分別為2.04，2.40，1.94 mm。

圖3 滾子截面處裂紋的宏觀形貌

將試樣截面磨制后，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)。

圖4 滾子截面處的顯微組織形貌

依據GB/T 3203—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。

表2 滾子原材料的非金屬夾雜物評級結果 級

表3 滾子熱處理淬回火組織的評級結果 級

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58 HRC的距離占總硬化層深度的41.1%，符合技術要求(不小于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。

表4 滾子滲碳層剖面的硬度測試結果 HRC

表5 滾子表面和心部的硬度測試結果 HRC

1.5 低倍組織檢驗

將金相檢驗后的試樣進行冷加工處理，然后按照GB/T 3203—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。

表6 滾子的低倍組織檢驗結果 級

1.6 掃描電鏡(SEM)及能譜分析

將滾子斷口經超聲清洗、烘干后，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松的細線狀缺陷，長度為3.694 mm，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。

采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。

圖6 缺陷內物質的能譜分析結果

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，裂紋源位于滾子內徑與外徑之間的中部位置，裂紋源為一條長度為3.694 mm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]。

滲碳鋼經淬火后，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。對于大尺寸、熱處理工藝較為復雜的滾子，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。