轴承外圈裂纹原因分析

于卫国，孙伟

洛阳市洛凌轴承科技股份有限公司 河南洛阳 471000

1 序言

我公司生产的轴承外圈产品状态如下。

1）型号和尺寸：型号为6313外圈，尺寸为φ140mm（外径）×φ116mm（内径）×33mm（高度）。

2）材质：GCr15钢，执行GB/T 18254—2016《高碳铬轴承钢》规定[1]。

3）化学成分：直读光谱检测符合G B/T 18254—2016《高碳铬轴承钢》的要求[1]。

4）轴承外圈状态：热处理淬火、回火。

5）裂纹发现环节：淬火、回火后的荧光磁粉检测工序。

6）基本加工流程：原材料→锻造（加热→切料→镦饼→冲孔→平高→碾扩→整径）→可控气氛退火→车削→可控气氛淬火→回火。

7）轴承外圈热处理加工设备：退火设备为可控气氛双层余热利用球化退火炉，气氛为氮气+丙烷；淬火设备为可控气氛托辊式网带炉，气氛为氮气+甲醇+丙烷，淬火冷却介质为光亮淬火油。

2 缺陷宏观描述

1）此产品在淬火、回火后荧光磁粉检测过程中发现一件轴承外圈产生裂纹，裂纹位置主要在外径、端面及倒角处，且裂纹均集中在产品一端位置。裂纹宏观形貌及无损检测照片如图1、图2所示。

图1 裂纹宏观形貌

图2 无损检测状态

经宏观观察，隐约可见裂纹的形态与荧光磁粉检测显示的基本一致。在外径上裂纹沿周向稍微向一端面偏斜，外径上多条裂纹呈近似平行状分布。

2）试样切割。为确保能够观察裂纹的微观形态，并尽量减少对裂纹的破坏，以端面裂纹为边界，并横跨外径裂纹进行切割，试样切割的位置及形状如图3所示。

图3 试样切割的位置及形状

3 分析过程描述

3.1 缺陷宏观分析

缺陷件端面上存在3条较为明显径向裂纹，且均跨过倒角延伸至外径处与正常碾扩方向垂直；外径处存在数条周向近似平行裂纹，与正常碾扩方向一致；其他部位没有发现裂纹。一般碾扩形成的裂纹与碾扩方向垂直。根据宏观形态无法确定裂纹是产生于锻造环节还是淬火环节，因此需进一步检测该缺陷产品的材料成分、硬度、微观组织，以及现场查看加工设备等，从而确认裂纹产生的根本原因。

3.2 缺陷件成分及硬度检测

用直读光谱仪对缺陷件材料化学成分进行分析，结果见表1。

表1 缺陷件材料化学成分（质量分数） （%）

用洛氏硬度计分别对缺陷件的试样及残件进行硬度检测，结果见表2。

表2 缺陷件的试样及残件硬度检测结果 （HRC）

3.3 缺陷件的试样微观组织检测

缺陷件的试样经过磨制和抛光，并使用4%硝酸酒精腐蚀后进行微观组织检测，结果如下。

（1）端面裂纹 裂纹长度为3247μm，裂纹深度为1443μm，裂纹周边存在异常区，其金相组织如图4所示。1000倍下可清晰地看到裂纹周边异常组织为低碳板条马氏体，如图5所示。

图4 端面裂纹及周边异常区金相组织（50×）

图5 端面裂纹周边组织（1000×）

（2）外径裂纹 试样外径面共存在6条裂纹。每条裂纹周边均有近似相同的微观组织，其中最深的裂纹长度为57.5mm、深度为550μm。裂纹周边存在异常区，裂纹+异常区为701μm，如图6所示。1000倍下可清晰地看到裂纹周边异常组织为低碳板条马氏体，同时在裂纹边缘可看到明显的全脱碳形成的铁素体块，如图7所示。

图6 外径裂纹及周边异常区（50×）

图7 外径裂纹周边组织（1000×）

（3）检测结果 通过微观检测发现，缺陷部位裂纹周边为不同深度的脱碳组织[2]，即低碳板条马氏体+全脱碳形成的铁素体组织。

（4）初步原因 因为退火和淬火均为可控气氛加热，所以不可能在裂纹周边出现脱碳组织，即低碳板条马氏体+铁素体组织[3]。因此，这种裂纹肯定产生在锻造过程，正常的锻造碾扩形成的外径裂纹一般是轴向的，但此次裂纹却是周向的，为此我们对锻造碾扩设备进行调查分析。

4 锻造碾扩设备调查与分析

锻造碾扩设备结构如图8所示。其中，碾扩轮安装在滑块上。

图8 锻造碾扩设备示意

现场观察发现，上下移动的滑块间隙大。在碾压轮刚接触碾压产品的瞬间向图中箭头方向有一个小位移，会在外径上形成短时间的轴向拉力，当此拉力超过材料强度时裂纹就产生了。另外，该设备的冷却水为手动控制，当锻造过程中料坯悬挂在芯辊上后，如没有及时碾扩，会导致产品局部受到冷却水的浇注而降温过多。在局部温度过低的情况下进行碾扩，碾压轮刚接触产品时，由于滑块间隙大而产生轴向拉力，且当此拉力超过材料强度时会形成周向裂纹，这些裂纹随着锻造后的冷却在裂纹周边形成脱碳层。端面因只受到周向碾扩拉力，所以端面出现径向裂纹。

5 结束语

1）裂纹是锻造碾扩过程中产生的。

2）裂纹产生的原因为锻造过程中料坯悬挂在芯辊上后，没有及时碾扩，导致产品局部因受到冷却水的浇注而造成温度下降，在局部温度过低的情况下进行碾扩出现的局部低温拉裂。外径局部拉裂随着碾扩的进展而变细、变长。