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特大型軸承套圈裂紋原因分析

某特大型軸承套圈在磨削加工后無損檢測工序發(fā)現(xiàn)裂紋，導致生產(chǎn)無法正常進行。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(zhì)量和熱處理質(zhì)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(fā)生。

某特大型軸承套圈在磨削加工后無損檢測工序發(fā)現(xiàn)裂紋，導致生產(chǎn)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(zhì)量和熱處理質(zhì)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(fā)生。

一、理化檢驗


1.1 宏觀檢驗
特大型軸承套圈在熒光磁粉檢測工序發(fā)現(xiàn)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。
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圖1 裂紋外觀形貌


1.2 化學成分分析
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(jié)果見表1。由檢測結(jié)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(zhì)量分數(shù)）  （%）

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1.3 非金屬夾雜物檢驗
在裂紋部位制取金相試樣后，檢測非金屬夾雜物，結(jié)果見表2。
表2 非金屬夾雜物檢測結(jié)果   （級）

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1.4 金相檢驗
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(cè)呈撕裂狀，尾部尖細，深度約6mm。其內(nèi)未發(fā)現(xiàn)氧化皮及材料夾雜物等缺陷，其局部顯微形貌如圖2所示。
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圖2 裂紋截面局部顯微形貌


冷酸擦試裂紋處，裂紋兩側(cè)未發(fā)現(xiàn)脫碳及磨削燒傷。檢測顯微組織，結(jié)果依據(jù)JB/T 1255—2014《滾動軸承  高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件》進行評定，顯微組織為馬氏體3級合格（見圖3）。依據(jù)裂紋形態(tài)及上述分析，軸承套圈表面裂紋為淬火裂紋。
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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?shù)取?/span>
1）由以上檢驗結(jié)果可知，原材料質(zhì)量合格，從而排除了軸承套圈由于原材料質(zhì)量問題引起淬火裂紋的可能。
2）由金相檢驗結(jié)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(jīng)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(zhì)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(chǎn)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(zhuǎn)變不一致，當軸承套圈的心部降到Ms點（馬氏體開始轉(zhuǎn)變點）以下開始馬氏體轉(zhuǎn)變時，表面早已完全轉(zhuǎn)變成馬氏體，表面的馬氏體將嚴重阻礙心部馬氏體轉(zhuǎn)變引起的體積膨脹，因而產(chǎn)生了較大的組織應力，這些應力使得軸承套圈因淬火而產(chǎn)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(chǎn)生的。


三、改進措施


3.1 改進軸承套圈冷卻方式
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。
3.2 控制軸承套圈的出油溫度
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(jù)JB/T 1255—2014《滾動軸承  高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)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(fā)現(xiàn)淬火裂紋。


四、結(jié)束語


1）特大型軸承套圈端面裂紋產(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)生，產(chǎn)品滿足技術(shù)要求。



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