轴承渗碳钢滚子支柱孔表面磁痕的产生原因

高秋然,刘璐瑶,李庆林,马明阳,梁 华

(洛阳轴承研究所有限公司 制造服务事业部，洛阳 471039)

滚子是轴承运转时承受负载的零件，也是轴承中最薄弱的零件之一，滚子的质量对轴承的旋转精度、振动、噪声以及灵活性等都有较大影响。滚子的种类较多，有圆柱滚子、圆锥滚子、球面滚子、螺旋滚子、支柱孔滚子和各类滚针等，其中支柱孔滚子中心带通孔，该通孔用来安装支柱，以便将滚子固定在片状支柱保持架上。该类型滚子形状有圆柱型、圆锥型和球面型等，主要用于制作大型轴承。

渗碳轴承钢具有切削性能、冷加工性能、耐冲击性能、耐磨性能良好以及接触寿命高等优点，用于制造承受较大冲击负荷的轴承，如轧机、重型车辆、铁路机车、风力发电机、矿山机械的轴承等。用渗碳钢制作的轴承，除表面具有较高的硬度、疲劳强度和良好的尺寸稳定性外，轴承内部还具有较高的韧性[1]。

某公司在对一批成品滚子进行无损检测时，发现部分滚子支柱孔内存在不同程度的磁痕，聚磁线沿轴向分布。该批滚子原材料(直径为60 mm)为G20Cr2Ni4钢。成品滚子的规格(直径×长度)为56 mm×104.5 mm，内部支柱的直径为18 mm，其宏观形貌如图1所示。成品滚子的渗碳层深度不小于3 mm。为确定磁痕产生的原因，对送检的两个有异常磁痕分布的滚子进行了一系列理化检验，以避免该类问题再次发生。

图1 成品滚子的宏观形貌

1 理化检验

1.1 宏观观察

将滚子沿裂纹打开后进行宏观观察，结果如图2所示，可见整个断口平齐，呈银灰色细瓷状；裂纹源为一条微细裂纹，沿轴向分布，位于外径和内径的中部，并靠近一侧端面向四周扩展。

图2 滚子断口的宏观形貌

1.2 化学成分分析

采用SPECTRO M9型直读光谱仪对滚子的表面和心部进行化学成分分析，其中滚子表面碳元素的质量分数为0.807%，心部材料的化学成分分析结果如表1所示。可见滚子表面的碳元素含量符合JB/T 8881—2011 《滚动轴承 零件渗碳热处理 技术条件》的要求(碳元素质量分数不小于0.80%)，滚子心部的化学成分符合GB/T 3203—2016 《渗碳轴承钢》的要求。

表1 滚子心部材料的化学成分分析结果 %

1.3 金相检验

采用线切割的方法对其中一个滚子进行切割，然后对截面处的裂纹进行观察，结果如图3所示。由图3可知：滚子内部存在裂纹，裂纹分布在内径、外径及端面之间，横截面呈辐射状，沿纵向发生开裂；裂纹起源于内径和外径之间的中部位置，向内径、外径及两端面扩展；裂纹长度约为15 mm，与内径、外径及端面的距离分别为2.04，2.40，1.94 mm。

图3 滚子截面处裂纹的宏观形貌

将试样截面磨制后，放置在光学显微镜下进行观察，可见裂纹主要沿晶界扩展，呈断续状分布，裂纹两侧无夹杂、脱碳等异常现象(见图4)。

图4 滚子截面处的显微组织形貌

依据GB/T 3203—2016对滚子的原材料进行非金属夹杂物评级，结果如表2所示；依据JB/T 8881—2011对滚子热处理淬回火组织进行评级，结果如表3所示，可见滚子的原材料和热处理淬回火组织均符合标准要求。

表2 滚子原材料的非金属夹杂物评级结果 级

表3 滚子热处理淬回火组织的评级结果 级

1.4 硬度测试

对滚子的渗碳层剖面进行硬度测试，结果如表4所示，可见表面至58 HRC的距离占总硬化层深度的41.1%，符合技术要求(不小于40%)。对滚子的表面和心部进行硬度测试，结果如表5所示，可见滚子表面和心部的硬度均符合技术要求。

表4 滚子渗碳层剖面的硬度测试结果 HRC

表5 滚子表面和心部的硬度测试结果 HRC

1.5 低倍组织检验

将金相检验后的试样进行冷加工处理，然后按照GB/T 3203—2016的要求进行低倍组织检验，结果如表6所示，可见试样的低倍组织均符合标准要求。

表6 滚子的低倍组织检验结果 级

1.6 扫描电镜(SEM)及能谱分析

将滚子断口经超声清洗、烘干后，用SEM进行观察，结果如图5所示。由图5可知：裂纹源区有一条内壁疏松的细线状缺陷，长度为3.694 mm，缺陷内物质为颗粒状，形貌自然；缺陷外断口呈脆性断裂，以缺陷为中心向四周扩展。

采用能谱仪对缺陷内及周围物质进行分析，发现缺陷内主要含有氧、铝、铁、镍等元素(见图6)，缺陷周围正常断口处主要含有铁、碳、镍、铬等元素。

图6 缺陷内物质的能谱分析结果

2 综合分析

由上述理化检验分析结果可知：送检滚子内部均存在裂纹，裂纹源位于滚子内径与外径之间的中部位置，裂纹源为一条长度为3.694 mm的线状缺陷。根据缺陷的形貌及化学成分推测，该线状缺陷是钢材冶炼过程中形成的针孔状缺陷，是深层皮下气泡造成的，即发纹。

发纹是一种原材料缺陷，是钢中的非金属夹杂物或气孔在轧制或拉拔过程中，随金属变形伸长而形成的[2-3]。发纹经常出现在棒料或锻件的表面，一般为连续或断续的直线，发纹距表面的深度越大，尖端曲率半径越小，材料越容易产生应力集中[4]。

渗碳钢经淬火后，表面为压应力，心部为拉应力。滚子心部存在裂纹源，在淬火瞬间形成了强大的拉应力，导致裂纹源失稳扩展，发展成内部开裂或断裂。滚子开裂面没有穿过渗碳层的原因为：当内部开裂扩展至渗碳层时，心部拉应力已经在很大程度上被释放，裂纹失去了扩展的动力条件；表面渗碳层呈压应力状态，阻止了裂纹扩展；渗碳层硬度和强度都很高，不易开裂。在渗碳淬火以及二次淬火时，材料内部产生了较大的应力，导致滚子内部的发纹扩展，最终滚子发生开裂[5-6]。

3 结论与建议

送检滚子内部存在发纹缺陷，在渗碳钢特殊的淬火应力下，发纹扩展，导致滚子发生开裂，在无损检测时形成磁痕。对于大尺寸、热处理工艺较为复杂的滚子，建议选用高级优质钢，加强原材料检验，以避免淬火时产生内部裂纹。