轴承钢锻件表面开裂原因分析

陈宏

(海军驻洛阳四零七厂军事代表室，河南 洛阳 471039)

1 概述

轴承钢锻件常见裂纹主要分为两大类：一类是由于原材料存在缺陷造成的裂纹，另一类则是由于锻造工艺不当造成的锻件开裂。其中，原材料缺陷造成的裂纹主要有原材料表面裂纹、非金属夹渣、皮下气泡、白点以及缩管残余等；而锻造工艺不当造成锻件开裂则主要包括锻造折叠、锻造过烧、锻造湿裂及锻造撕裂等。由于形成裂纹的成因不同，导致裂纹的形貌特征及微观组织也存在一定的差异，所选择的分析方法及手段也不尽相同。因此，针对某一案例究竟应该采取何种分析思路、选择何种分析方法才能快速、准确且经济地得到分析结论，这是失效分析工作所面临的共同课题。

某公司生产的Ф350 mm GCr15SiMn电渣钢锻材，采用该批钢材锻制轴承套圈，下料长度为570 mm，在后续的加热锻打过程中发现料锻表面沿轴向发生开裂，比例约为10%，其形貌如图1所示。

由于锻件尺寸较大，将图1所示样品经退火后，切取其中两块试样进行检验分析，编号分别为1#和2#(图2)。

图1 锻件表面开裂形貌

图2 选取样品外观形貌

2 分析思路及方法选择

根据锻件开裂的外观形貌认为，导致表面裂纹的可能性因素有原材料表面裂纹、皮下气泡、翻皮、锻造过烧和表层非金属夹渣5种。每种因素可能造成的裂纹形貌特征、微观组织形貌及应该采用的分析方法见表1。

表1 锻件表面裂纹形成的可能性因素、特征及分析方法

通过对上述检验与分析结果进行综合判断，最终确定导致锻件表面开裂的主要原因可能是一项，也可能是主次两项或多项。

3 检验与分析

3.1 金相检验

采用线切割法对1#和2#试样沿缺陷横向剖开，经磨制后置于金相显微镜下观察，发现两试样的表面及次表面均存在灰色异物，其中1#试样呈现为点状分布的夹杂物形貌(图3)；2#试样则呈现为大尺寸块状形貌(图4和图5)。考虑到两试样在取样时已进行了退火处理，并发现缺陷周围分布有灰色异物，故不再进行脱碳层检验。

图3 1#试样缺陷表层的灰色异物

图4 2#试样缺陷表层的灰色异物

图5 图4缺陷表层灰色异物的局部放大

3.2 微观观察与分析

将1#和2#金相试样采用超声波清洗烘干后放置在JSM6380LV扫描电子显微镜下进行变倍观察，结果与金相显微镜观察到的高倍形貌一致(图6～图9)。采用能谱仪分别对缺陷表层剖面的灰色异物微区成分进行分析，结果表明：其主要元素为氧、铁、硅、锰及少量的钙等，其能谱曲线如图10所示。由此可以确定，1#试样缺陷表层存在的异物尺寸较小，呈现为颗粒状，主要为铁、硅及锰的氧化物；2#试样缺陷表层存在大块的异物，为灰色的基体上分布有深灰色的颗粒状夹杂物，基体成分主要为铁的氧化物；而深灰色的颗粒状夹杂物的成分与1#试样的夹杂物相似，主要为铁、硅和锰的氧化物。

图6 1#试样缺陷表层异物的电镜形貌

图7 2#试样(局部)缺陷表层的夹渣

图8 图7缺陷表层夹渣局部放大

图9 2#试样(局部)缺陷表层的夹渣

图10 锻件表面裂纹内异物能谱图

3.3 低倍组织检验

将1#试样的金相检验样品按照JB/T 1255—2001标准要求进行热酸洗，结果表明，其低倍组织未见异常，试样酸洗后的形貌如图11所示。

图11 1#样品低倍组织形貌

3.4 断口检查

将1#试样按照正常热处理工艺处理后在缺陷部位制作断口，可以看到，整个断口平齐，为银灰色细瓷状，无锻造过烧迹象，断口的整体形貌如图12所示。

图12 1#样品缺陷处断口形貌

4 结果分析

根据以上观察、检验和分析认为：(1)送检轴承钢锻件的低倍组织及锻造质量均未发现异常，这说明锻件表面开裂与低倍组织及锻造过程无关，排除了皮下气泡、翻皮及锻造过烧的可能性；(2)1#和2#锻件的缺陷表层均存在不同程度的夹杂和夹渣，其成分主要为铁、硅和锰的氧化物，属于冶金缺陷；大量夹渣的存在破坏了材料的连续性，其强度和韧性均较低，在锻造过程中分布在材料表层的夹渣就极容易发生开裂；(3)送检轴承钢锻件表层存在冶金缺陷——大尺寸夹渣，也是导致料段在锻造过程中表面发生开裂的主要原因。

5 结束语

采取排除和确认同时进行的方法确定了送检轴承钢锻件表层存在冶金缺陷是导致料段在锻造过程中表层发生开裂的主要原因。案例中省略了原材料表面裂纹的排除过程，这是因为在金相检验过程中发现了大量不同形态和色泽的灰色异物，已经基本可以排除其存在的可能性，仅仅需要对其做定性分析即可。对类似于本案的表面裂纹则推荐按照表1的思路进行分析。