冷热加工轴承外圈的失效分析

张  博；武  珂
(咸阳纺织机械厂质量处)

　　摘　要：利用金相、硬度、化学分析等检测手段，对纺织机械零件在热处理和磨削加工后表面出现龟裂特征进行金相分析。找出问题所在，并提出建议。
　　关键词：轴承钢；淬火；裂纹；金相分析
　　八十年代中期我国的纺织机械开始由有梭织机转向无梭织机领域。在吸收发达国家先进技术时，从引进散件，自行组装，再逐步研究自制，逐渐提高国产化零件的比率。发展到今日，国内市场上已经研制出了喷水、喷气、剑杆等多种形式的无梭织机。无梭织机不仅织速快，其先进程度还体现在它的扣幅宽(织物幅面宽)，配有多臂结构，为在织物上多种形式的提花创造了条件。目前，部分零件质量制约着织机产品的质量。本文所涉及的是在剑杆织机零件加工完成后成台装配时，发现其中一种轴承外圈零件成批出现问题，从而采用理化手段进行了报废零件的失效分析。
　　1　送验的失效零件
　　失效零件外型如图1所示，是剑杆织机中的离合器轴承外圈，其强度、韧性、精度均要求较高。
　　零件制造原材料：GCr15轴承钢板。
　　材料处理状态：球化退火状态。
　　零件成批生产流程：下料→粗加工→半精加工→淬火+回火→粗磨→成品。
　　淬火温度870℃，回火温度200℃，淬火低温回火后的硬度要求58～60HRC。
　　磨削面为上下两个平面及大小两个圆孔内壁，磨削的总磨削量在1.0mm左右。
　　该批420件零件中，半数以上的零件在磨削平面上出现细小的网状裂纹。送验零件5件。
　　2　检验与分析
　　2.1　宏观检验
　　所提供的5件零件上下两个磨削平面上，用肉眼在适当的光线条件下都能看到有网状或断续网状细小裂纹。我们认为，该批零件大多数出现这种现象，是系统误差造成的非偶然误差的结果。
　　2.2　化学成分分析

　　可见，该批零件制造材料化学成分合格。
　　2.3　硬度检验
　　对5件零件全部进行硬度检验，测得二磨削平面的硬度为59～59.5HRC，都在所需求的58～60HRC范围内。
　　2.4　低倍检验
　　宏观裂纹情况相同，随机取低倍观察试验可以代表整批情况。取一件放大80倍下观察裂纹均呈断续网状，裂纹夹角近120°(见图2)。据相关资料〔1〕记载，这些特征是较典型的磨削裂纹。拍照试样未经任何处理，是原始送验状态。片中规则的黑线条是砂轮的走向纹路。

　　2.5　缺陷原因分析
　　有关的技术文献〔1〕中总结出磨削裂纹形成的原因主要有以下几种：
　　(1)磨削应力
　　在磨削量过大，进给速度太快或砂轮不锋利的情况下进行磨削，被磨表面因强裂受热而体积膨胀，同时热量向内层传导：表面受到冷却剂冷却后，体积收缩，而内层由于热传导，体积膨胀，使外层受拉应力而形成裂纹。
　　(2)冷却应力
　　磨削过程中，被磨工件表面发热，如果突然用冷却剂冷却，也会因热胀冷缩产生的应力使表面形成裂纹。
　　(3)组织应力
　　回火不足的工件，或是淬火过热的工件，内部均保留了数量较多的残余奥氏体，在随后磨削加工中因受热发生组织转化，形成马氏体、体积增大，产生组织内应力，从而导致裂纹产生。另外，磨削引起的二次淬火得到马氏体，使晶格歪扭、体积膨胀，内应力迅速增加，同时获得的残余奥氏体在随后的磨削过程中又发生组织转变，使应力增加，再加上磨削应力的作用等，形成磨削裂纹。
　　送验方规定的工艺路线与轴承钢材料的常规路线相同，不存在问题。但所定热处理淬火温度870℃，却比常规的830～860℃稍有偏高。轴承钢材料在球化退火状态下淬火可以使材料的强度，硬度得到提高，保证了它的耐磨性。在随后低温回火时，不降低材料硬度，却可以消除淬火内应力，提高其弹性和塑性。但是热处理环节可能出差错的地方很多，如控温系统、保温时间都是影响质量的因素。
　　时过境迁，磨削加工时的设备条件、冷却液情况以及加工进给量等已无从考证。因此我们只能凭借失效工件的微观组织来分析产生裂纹的原因。
　　2.6　金相分析
　　在零件大圆环处取试样，见图1，设定磨削平面为A面，相同试样外侧面为未磨削面(即热处理淬火，回火后的保留面)，设定该面为B面。
　　A面组织为：针状马氏体+少量碳化物+残余奥氏体(图3)。

　　马氏体评级：7～8级。
　　晶粒度评级：6级。
　　B面组织为：粗针马氏体+残余奥氏体。
　　马氏体评级：10级。
　　评级标准为相关资料〔2〕中的《GCr15钢淬火马氏形态参考图》。
　　JB1255-1981技术标准规定一至五级合格，不允许有大于五级过热马氏体组织。很显然，A、B两面的马氏体级别都超过了合格范围。
　　在相关资料〔3〕中提供了图5。由硬度、残留碳化物含量、残余奥氏体量、晶粒度与淬火温度的关系可以看出，过高的淬火温度必然导致碳化物含量减少、残余奥氏体量增多、晶粒长大等。

　　2.7　金相组织分析比较
　　比较A、B两切面金相显微组织发现，B切面针状马状体非常粗大，碳化物颗粒已经很难找到，残余奥氏体量较多：说明热处理加热温度已经超过了正常的要求范围造成严重过热，碳化物几乎全部溶解。A切面已经磨去了外表约1mm厚的淬火层，所见组织的过热现象较径。其晶粒度已达6级，由图5可知淬火温度已达到甚至超过了粗化晶粒温度，说明该批零件热处理实际淬火温度已经远超过了870℃，以致该批零件多出现磨削裂纹而报废。观察高倍放大下的裂纹走向是沿晶界延伸，证明是由于残余奥氏体过多，在磨削过程中这种亚稳定型的组织发生转变：这就是说产生磨削裂纹系上述第(3)种原因。粗大的马氏体组织对材料的韧性破坏很大，不能满足对于要求有良好综合性能的离合器轴承外圈。观察B切面的Z外层区，未发现符合磨削工艺不当而会造成的表面二次淬火组织及磨削热造成的黑色磨损烧伤组织。因此，造成磨削裂纹的原因(1)和(2)可以排除。同时，也说明了原因(3)是产生组织应力的主要因素，并非磨削不当。
　　3　结论
　　由于热处理工艺不当，造成淬火组织过热，以致马氏体级别超大，残余奥氏体较多，在随后的磨削加工中受热发生组织转化，体积增大，内应力增加，造成磨削裂纹。建议降低淬火温度，严格控制好轴承钢淬火温度在常规830～860℃范围内，到温入炉，控制适当的保温时间，防止过热。
　　4　后记
　　在本厂下批GCr15材料坯件进行热处理淬火时，温度设定在840℃，其它加工条件与原来相同，在精磨后未见异常现象。这就证明前述的分析推断正确。