GCr15钢轴承外套圈磨削开裂失效分析
发布时间：2016-02-24邹龙江，周全，高路斯
（大连理工大学材料科学与工程学院，辽宁大连 116023）
摘 要：采用金相显微镜、硬度计、X荧光光谱仪等检测分析方法，对GCr15钢轴承外套圈在磨削过程中开裂原因进行了分析。结果表明，引起套圈开裂的主要原因是组织过热，轴承套圈热处理淬火组织马氏体针粗大，导致轴承套圈变脆，进而在淬火残余应力和磨削拉应力的交互作用下失效开裂。
关键词：GCr15钢；轴承外套圈；开裂；失效分析
某轴承制造公司送检的一批内径∮230mm，外径∮280mm，高65mm，壁厚25mm的GCr15钢轴承外套圈，在淬火、回火后端面磨削加工时出现了轴向裂纹。套圈宏观形貌及取样部位见图1（a）。该批套圈的生产工艺流程为：棒材剪切下料→锻造成形→球化退火→机械加工→淬火+低温回火→粗磨→精磨。球化退火在箱式电阻炉中进行，采用790℃保温3h随炉冷却至720℃保温4h，再随炉降温至650℃出炉空冷；淬火加热工艺为840℃保温50min油淬；油淬后进行170℃×3h的回火处理。在Z后一道加工工艺磨削端面时，大部分套圈出现了端面长裂纹，裂纹沿径向贯穿于整个套圈端面，见图1（b），对开裂套圈原因进行了分析。
图1 轴承外套圈宏观形貌（a）及端面裂纹形貌（b）
1 试验方法
在套圈端面裂纹处，用线切割法沿径向取下两块试样（如图1所示），其长宽高尺寸均为40mm、25mm、25mm，切割下的试样先用酒精清洗，再在丙酮中用超声波清洗30min后取出干燥。分别取垂直于端面的侧面（横向面）和径向圆周面（纵向面）作为金相试样观察面。两金相面经机械打磨抛光后，横向面用2%的硝酸酒精溶液浅腐蚀，观察显微组织，以确定金相组织是否合格；纵向面用4%的硝酸酒精溶液深腐蚀，观察碳化物分布形态，以确定网状碳化物是否超标[1]。然后应用碳硫分析仪和X荧光光谱仪分析试样的化学成分，确定其成分是否合格。Z后在经机械磨抛后的金相试样上，沿径向由外向里至中心测其硬度，以确定硬度是否达到标准要求。
2 试验结果
2.1金相分析
分别将2%硝酸酒精溶液浅腐蚀后的金相试样面和4%硝酸酒精溶液深腐蚀后的金相试样面作为金相观察面，在金相显微镜下放大500倍进行观察，以确定马氏体形态和碳化物分布情况。结果发现，送检失效套圈的显微组织为针状马氏体+细小粒状碳化物+残留奥氏体。在金相图片上，马氏体针清晰可见，依据JB/T1255—2001《高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理技术条件》，判定热处理淬火组织＞5级，属过热组织，淬火组织不合格，见图2（a）。碳化物呈不均匀点状分布，无严重的带状组织和液析存在，未发现有碳化物网状分布。依据GB/T18254—2002《高碳铬轴承钢》，网状碳化物评为2级，碳化物组织合格，如图2（b）所示[2]。
图2 GCr15钢轴承套圈显微组织（a）马氏体形态；（b）碳化物分布
2.2化学成分分析和硬度检测
材料化学成分分析结果见表1。能谱分析结果见图3。结果表明，化学成分符合GB/T18254—2002《高碳铬轴承钢》要求[3-4]。
材料化学成分分析结果见表1。能谱分析结果见图3。结果表明，化学成分符合GB/T18254—2002《高碳铬轴承钢》要求[3-4]。
图3 GCr15钢轴承套圈能谱分析结果
表1 GCr15钢轴承套圈化学成分（质量分数，%）
在试样抛光面上由外及里沿径向每隔3mm检测其硬度，测试结果见表2。硬度值均在60HRC以上，符合JB/T1255—2001标准要求，硬度合格[3]。
表2 GCr15钢轴承套圈硬度检测结果
3 失效原因分析与建议
由以上试验结果可知，失效GCr15钢轴承套圈材料化学成分和硬度符合要求，未见碳化物网状分布。其显微组织为针状马氏体+粒状碳化物+残留奥氏体[5-6]，马氏体针状明显，属于过热组织，淬火组织不合格。正是由于送检套圈组织严重过热，马氏体针粗大，脆性增加，使其在生产过程中，在淬火残余应力和磨削拉应力的交互作用下，Z终导致失效开裂[3，7]。
建议生产厂家严格按照淬火工艺组织生产，一是经常校准温控表，防止因测温控制系统失灵造成加热温度过高或保温时间过长；二是要根据加热炉炉膛的空间情况，合理装料和间隔摆放，防止装料过多和堆积。以上两点都是造成淬火组织过热的主要原因[2，8]。
参考文献：
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[2]全国滚动轴承标准化技术委员会编.滚动轴承用材料和热处理卷[M].北京：中国标准出版社，2003.
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[4]王国凡.材料成形与失效[M].北京：化学工业出版社，2002.
[5]邹龙江，高路斯，王兰芳.GCr15SiMn钢轴承套圈磨削氢脆致断分析[J].金属热处理，2007，32（S1）：314-317.
[6]邹龙江，高路斯，王兰芳.GCr15SiMn钢轴承套圈开裂原因分析[J].机械工程材料，2007（5）：53-55.
[7]邹勇，杜伟娟，罗雪香，等.深层渗碳轴承滚子断裂失效分析[J]．金属热处理，2011，36（9）：91-94.
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[8]王焕庭，李茅华，徐善国.机械工程材料[M].大连：大连理工大学出版社，2000.
来源：《金属热处理》2013年09期