某特大型軸承套圈在磨削加工后無損檢測工序發現裂紋，導致生產無法正常進行。該軸承套圈材料為GCr15SiMn鋼，外徑800mm，高度80mm。其加工工序為：原材料檢驗→鋸切料→鍛造→球化退火→車削加工→熱處理→磨削加工→磁粉檢測→裝配。本文通過采用宏觀檢驗、金相檢驗等分析方法，從軸承套圈的材料質量和熱處理質量對軸承套圈裂紋進行全面檢測分析，并從熱處理工藝方面著手研究應采取的措施，從而避免了裂紋的再次發生。
一、理化檢驗
特大型軸承套圈在熒光磁粉檢測工序發現裂紋，觀察裂紋位于軸承套圈端面，呈線狀，大致沿周向分布，長度約3cm，其外觀形貌如圖1所示。
圖1 裂紋外觀形貌
在軸承套圈裂紋處進行取樣，試樣尺寸為15mm×15mm×15mm。采用ARL-4460直讀光譜儀檢測化學成分，結果見表1。由檢測結果可知軸承套圈材料為GCr15SiMn鋼，符合GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》要求。
表1 軸承套圈的化學成分（質量分數） （%）
在裂紋部位制取金相試樣后，檢測非金屬夾雜物，結果見表2。
表2 非金屬夾雜物檢測結果 （級）
制取金相試樣后在GX51光學顯微鏡下觀察，可見裂紋大致垂直于表面，兩側呈撕裂狀，尾部尖細，深度約6mm。其內未發現氧化皮及材料夾雜物等缺陷，其局部顯微形貌如圖2所示。
圖2 裂紋截面局部顯微形貌
冷酸擦試裂紋處，裂紋兩側未發現脫碳及磨削燒傷。檢測顯微組織，結果依據JB/T 1255—2014《滾動軸承 高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術條件》進行評定，顯微組織為馬氏體3級合格（見圖3）。依據裂紋形態及上述分析，軸承套圈表面裂紋為淬火裂紋。
圖3 顯微組織
二、原因分析
引起淬火裂紋的原因有很多，常見的影響因素有材料的冶金缺陷、淬火工藝不良，如淬火溫度過高、冷卻不良、淬火返修工藝不當等。1）由以上檢驗結果可知，原材料質量合格，從而排除了軸承套圈由于原材料質量問題引起淬火裂紋的可能。2）由金相檢驗結果可知，淬回火后軸承套圈的顯微組織為馬氏體3級，從而排除了軸承套圈由于淬火加熱溫度過高或淬火加熱時間過長引起淬火裂紋的可能。3）由于該裂紋套圈未經淬火返修，從而排除了由于淬火返修工藝不當引起淬火裂紋的可能。4）對軸承套圈的淬火冷卻過程進行分析。該軸承套圈淬火冷卻時冷卻淬火介質為快速淬火油，冷卻方式是在淬火槽中用淬火機冷卻。由于冷卻速度太快，軸承套圈表面和心部的冷卻速度差別太大，造成心表的溫差大，致使軸承套圈表面和心部不能同時收縮而產生較大的熱應力；同時冷卻速度太快，使得軸承套圈表面與心部組織轉變不一致，當軸承套圈的心部降到Ms點（馬氏體開始轉變點）以下開始馬氏體轉變時，表面早已完全轉變成馬氏體，表面的馬氏體將嚴重阻礙心部馬氏體轉變引起的體積膨脹，因而產生了較大的組織應力，這些應力使得軸承套圈因淬火而產生開裂。綜上分析，軸承套圈端面裂紋是在淬火冷卻過程中產生的。
三、改進措施
改進前軸承套圈的冷卻方式是淬火機冷卻；改進后軸承套圈的冷卻方式是套圈裝架后帶架在冷卻槽中上下竄動冷卻。用紅外測溫儀控制軸承套圈淬火冷卻出油溫度在100～110℃。按改進措施對該類特大型軸承套圈200余件進行了熱處理，淬回火后用里氏硬度計檢查軸承套圈硬度為59.5～60.5HRC。用便攜式金相顯微鏡檢查軸承顯微組織，依據JB/T 1255—2014《滾動軸承 高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術條件》進行評定為馬氏體3級。軸承套圈加工至成品，用熒光磁粉100%檢測，未發現淬火裂紋。
四、結束語
1）特大型軸承套圈端面裂紋產生的原因為冷卻方式不當、冷卻速度太快造成的。2）改進措施為改進軸承套圈現有的冷卻方式并控制軸承套圈的出油溫度。3）按改進措施加工的特大型軸承套圈，避免了軸承套圈淬火裂紋的再次產生，產品滿足技術要求。
作者：郝奧玄，王云廣，李貴方，劉志強
單位：洛陽LYC軸承有限公司
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