锻造成形方式对外圈滚道周向非相关磁痕的影响

张玲，杨争，陈学武，陈治山，刘菁

（1.洛阳LYC轴承有限公司，河南 洛阳 471039；2.航空精密轴承国家重点实验室，河南 洛阳 471039）

轴承套圈在磁粉探伤过程中，虽然非相关磁痕相对于相关磁痕的发生率很低，但也时有发生。非相关磁痕不是来源于真正的缺陷，但用户在验收时极为严格。在大型圆柱滚子轴承的制造过程中，外圈锻造成形方式对滚道周向非相关磁痕的产生影响较大。大型轴承外圈常见的锻造成形方式有1 t锤自由锻和1 000 t压力机。自由锻锻造成形时，采用缓慢的变形速度和较小的变形力，具有灵活性、适应性强的特点，可以更好地满足用户要求；压力机锻造成形由于生产效率高，也逐渐被推广使用。当外圈使用压力机成形时，磁粉探伤发现其滚道部位常存在大面积、均沿圆周方向分布的多条短线状磁痕，针对样圈进行了多次分析及相关工艺试验，证明不同锻造方式对此类批量磁痕的产生有影响，为此，进一步开展了相关锻造工艺试验，并加以验证。

1 试验

1.1 试样材料及状态

试样材料采用GCr18Mo电渣重熔钢，共进行两批次试验，每次试验均选择钢厂提供的同一母炉号的原材料组批。材料进厂检验其化学成分及非金属夹杂等项目均符合TB／T 3010—2001《铁道车辆滚动轴承高碳铬轴承钢订货技术条件》要求。材料状态为热轧退火态，棒料直径为110 mm。该批原材料采用多台阶塔形试样进行荧光探伤［1］，无带状碳化物磁痕，均符合企业标准。

1.2 锻造工艺及成形设备

外圈外径为250 mm，其锻造工艺流程：下料→中频感应加热→锻造成形（镦粗→冲孔→扩孔→整径）→正火→退火。分别采用1 t锤自由锻生产线（简称自由锻）和1 000 t压力机生产线（简称压力机）进行锻造成形。

1.3 试验步骤

1）采用压力机和自由锻2种外圈成形方式进行对比试验；

2）改变压力机凸模，采用压力机成形模式进行试验；

3）进行磁痕样圈（压力机成形产生）和无磁痕样圈（自由锻成形产生）的流线对比试验。

所有试验批次产品给予标识，在各工序单独移动跟踪。锻造工序中始锻温度和终锻温度工艺参数不变，扩孔及整径工序工艺也不变。

2 试验结果

2.1 不同锻造成形方式的影响

热处理和磨加工工艺及探伤方法均相同，分别采用2种锻造成形方式后，对外圈进行磁粉探伤，其滚道周向非相关磁痕的废品率统计结果见表1。由表可知，不同锻造成形方式会影响外圈滚道的周向磁痕废品率，压力机锻造成形的外圈滚道周向磁痕废品率远远高于1 t锤的自由锻成形模式。

表1 磁痕废品率统计Tab.1 Statistics on rejection rate of magnetic mark

2.2 改变压力机凸模后的影响

为了降低压力机锻造成形产生的磁痕废品率，第1次试验采用缩短压力机的凸模高度，增大冲孔时穿掉的料芯直径的方法。考虑到自由锻锤凸模带角度的特点，第2次工艺试验适当增加冲孔凸模角度，以改善滚道部位流线变形方向。由表1可知，改变压力机凸模，仍然采用压力机成形，对外圈滚道周向磁痕的废品率没有产生积极效果。

2.3 外圈流线分析结果

选择自由锻的无磁痕外圈和压力机的磁痕外圈各一件，沿外圈高度方向切取整条试样，细磨加工后，进行热酸洗工艺试验，观察其流线分布如图1所示。由图可知，无磁痕样圈金属流线的纵断面流线分布合理，均沿材料轧制方向分布，油沟部位局部收敛，没有明显的流线沿滚道处断裂和露头等异常现象（图1a）；磁痕样圈滚道处金属流线有露头现象（图1b、图1c）。为了进一步了解磁痕样圈纵断面的带状组织情况，沿外圈高度方向1／2处截断整条试样，磨制纵断面观察磁痕处是否有带状碳化物，结果如图2所示。由图可知，滚道处带状碳化物组织与滚道面呈一定的角度分布，大致与滚道纵截面的流线方向一致（图2b）。进一步分析发现，锻造流线沿滚道处断裂，正好是原材料带状组织周向断开处。

图1 流线分布Fig.1 Stream line distribution

图2 外圈周向磁痕形貌及带状组织分布Fig.2 Morphology of circumfer ential magnetic mark and distribution of banded structure

3 分析讨论

由于外圈在1 000 t压力机锻造镦粗及冲孔成形时承受的力更大，尤其在冲孔成形时只有一次成形过程；而1 t自由锻镦粗过程属于多次打击，反复镦粗，逐步改变坯料的形状。此外，在冲孔工序时，1 t锤自由锻采用多次翻转冲孔；1 000 t压力机属于单次冲孔。因此，不同的锻造成形方式会影响外圈滚道处的流线分布规律。1 000 t压力机成形，在外圈滚道面处流线相对更易产生断裂，这从流线分析结果得以证明。总之，外圈在压力机锻造成形时承受较大的冲击力，由于成形过程变形次数少，单次变形程度较大，变形速度快；自由锻为多次镦粗和冲孔，每次变形程度较小，锻造变形速度也较缓慢。不同的锻造工艺方法，虽然宏观上的锻造变形量区别不明显，但微观上金属的变形程度差异较大［2］。

虽然压力机成形时进行了模具改进，但对外圈滚道流线的分布没有产生积极的影响。从流线试验结果可知，磁痕外圈截面滚道处流线并未沿轴向方向分布，而是与滚道面呈现交叉模式。从金相组织可知，磁痕样圈纵截面的带状碳化物组织与滚道面呈现交叉模式；无磁痕样件的带状碳化物组织沿轴向方向分布。总之，分布在滚道面上的带状碳化物组织均与滚道交叉，露头后形成大量沿外圈滚道面周向分布的磁痕（图2a）。

金属的杂质、化合物、偏析等在低倍试片上沿主变形流动方向呈纤维状分布的组织，称为金属纤维组织或流线［3］。电渣钢由于组织杂质较少，相对于真空脱气等其他冶炼方式的轴承钢，其材料流线分布并不清晰。对于采用电渣重熔方法冶炼的轴承钢，形成流线的条件是：1）金属内存在一定级别的带状组织偏析；2）锻造过程中沿某一方向有足够大的变形程度。金属流线的分布取决于锻压工具和变形工艺［3］，为了保证流线的分布更为合理，应选择能够反复镦粗及多次冲孔的锻造成形模式，故根据现有设备，1 t锤自由锻是最佳的锻造模式。

相比之下，自由锻成形可以获得较好的外圈金属流线分布，流线大多平行于轴向方向，其中带状碳化物组织也是沿轴向分布；产生磁痕的主要原因是由于带状碳化物组织沿流线方向分布，因此，采用自由锻成形可以消除不合理的流线分布，从而降低外圈滚道周向磁痕的发生率。

4 结论

1）压力机锻造成形轴承外圈易导致滚道周向产生非相关磁痕。

2）优化冲孔冲头设计对减少滚道周向非相关磁痕没有作用。

3）自由锻锻造成形方式是减少滚道周向非相关磁痕的最佳锻造方式。