GCr15钢制轴承典型裂纹原因分析

株洲珍珠轴承有限责任公司（株州　412001）　廖卫

　　摘　要：本文从GCr15钢制轴承裂纹的形态表现入手，综合分析了轴承套圈典型裂纹的形成原因，并结合轴承制造生产过程，提出了相关的防范措施，以减少轴承裂纹的产生，提高产品的可靠性。

　　关键词：轴承；裂纹分析；预防措施

　　0　前言

　　在影响轴承产品质量的各种因素中，套圈裂纹是轴承失效的重要形式之一，是不可挽救的缺陷，在制造生产过程中应该竭力避免。本文结合轴承制造生产过程中出现的各种典型裂纹的形状，分析其形成原因，并结合生产实际，提出防止类似事故重复发生的措施，以供同行参考并祈指正。

　　众所周知，裂纹的产生是由于材料内部应力超过材料强度极限而发生断裂所致。为预防轴承套圈产生裂纹，应从两方面考虑：

　　1）提高材料的强度指标（断裂强度），特别是注重材质的均匀性及避免明显的材料缺陷，如：大块或连续分布的非金属夹杂、严重的碳化物带状偏析、缩孔、白点、折迭等不可挽救的缺陷。有特殊性能要求的轴承，可选用真空冶炼材料，以降低夹杂物含量，提高强度。

　　2）在轴承制造加工的各个环节（如锻造或挤压、车削、热处理、磨削加工及装配等）努力降低材料的内应力。在习惯上，往往按某一因素或某一工序为主要原因而引起的裂纹划分裂纹的类型：如原材料裂纹、锻造裂纹、锻造及冲压折迭裂纹、车加工尖角裂纹、淬火裂纹、磨削裂纹。正确区分各种不同类型的裂纹是寻找开裂原因以采取有效避免措施的重要条件。

　　轴承制造工艺流程：下料-锻造-球化退火-车削-软磨端面与外径-淬、回火-磨削-精研沟道-装配。

　　1　轴承制造过程中常见典型裂纹：

　　1.1原材料裂纹

　　主要是材料存在严重缺陷；在材料中有大块或连续分布的非金属夹杂、严重的碳化物带状偏析；在材质薄弱处，强度指标太低，往往在热处理之前内应力即超过强度极限，发生局部断裂；内部存在显微裂纹，严重者肉眼即可看到。有时这类裂纹也往往在热处理、磨加工、装配甚至用户使用过程中才发现。这类裂纹在形态上主要表现为裂纹比较平直、比较深，往往沿材料纤维方向贯穿整个工件，如图1。

　　1.2锻造裂纹

　　轴承常规锻造工艺为：加热-下料-墩粗-套料-A大圈：扩孔-整形；B小圈：挤压-冲孔。大圈扩孔时由于芯棒需用水冷却，工作场地往往有大量积水，如果排水不畅，套圈锻造后触水或其它原因致锻后冷速过大、终锻温度过低，都将引起强度极限急剧下降，在内应力来不及释放，超过强度极限时即会发生断裂，产生锻造裂纹。在套圈制造过程中，锻造裂纹占有极大比例，必须给予高度重视。此类裂纹多数产生于套圈端面（触水处）或壁厚差大处。经退火后，这类裂纹周围有脱碳层，有时因裂纹细小而未被发现，在淬火时才被扩大。周围也有可能无明显脱碳。如图2。

　　1.3磨削裂纹

　　如果由于磨削加工问题：如磨削用砂轮粒度、硬度、磨削速度和进给量等工艺参数选用不当会产生大量磨削热量，使零件表面温度剧烈升高。当温度升高到轴承钢的相变温度以上时，会重新发生组织转变，在再次冷却过程中所产生的组织应力和热应力极易超过该处的强度极限，导致磨削表面出现磨削裂纹。从形态上看，磨削裂纹通常较细而浅，裂纹呈龟裂状或是较有规则排列，裂纹间距大致相等，特别在磨削沟道过程中容易发生此类裂纹，如图3。

　　1.4套圈车削刀花裂纹及车削加工尖角裂纹

　　由于刀花处应力集中，加之这里常有较严重脱碳现象，强度较低，故在这里形成互相平行而不连续的深度不大的（一般为0.04～0.06mm）细小表面裂纹。另外，在车加工各类沟槽时，由于倒角过小或未倒退角，在沟槽处引起较大应力集中，严重者超过强度极限，引起断裂，这类裂纹往往从沟槽处开始起裂。如图4所示。

　　1.5淬火裂纹

　　淬火裂纹是由于淬火应力导致在工件表面层形成的拉应力超过冷却时钢的断裂强度（强度极限）而引起的，导致淬火裂纹的原因很复杂，大体可归纳为如下几方面：

　　1）热处理工艺：

　　由于淬火温度过高或保温时间过长致使组织过热，使淬火后应力增大、强度极限低而发生过热裂纹；淬火后未及时回水，淬火应力得不到释放，稍加外力即有可能超过材料薄弱处的强度极限而发生断裂；零件厚处未淬硬，使淬硬层和未淬硬层介面处产生大的组织应力；冷速过快或冷却介质不纯，淬火油中含水分超过0.25%或出油温度过高而立即冷清洗等造成过大的淬火应力。

　　2）工件结构设计或选材不当。如工件壁厚相差悬殊，具有易形成应力集中的尖角、凹角等。从形态上看，淬火裂纹一般比较深，裂纹两侧无脱碳层，纹端有尖尾。

　　比较常见的淬火裂纹列举如下：

　　a）淬火过热形成的裂纹：

　　此类裂纹大多是贯穿性的大裂纹，但不象原材料裂纹那样直，如图5。

　　b）冷却速度不合理，主要指淬火工件在过冷奥氏体区冷却速度过于缓慢，而在马氏体转变温度范围内冷却速度太快，产生较大的组织应力。如套圈在太冷的油中或直接淬入油槽底部的水中形成的裂纹，见图6。

　　c）二次或多次淬火裂纹此类裂纹多呈密集的碎裂状或龟裂状，数量多而深浅不一，似振酥裂，检查显微组织不一定过热。这是由于经淬火后的零件一般都处于高应力状态，内部细微的结构缺陷也往往增多，在二次淬火前不经高温回火或未按二次淬火工艺执行，在更大的组织应力和热应力作用下即产生这类裂纹。一般数量较多而密集，如图7。

　　2　预防、整改措施

　　为了防止裂纹产生，根据各种不同类型裂纹产生的原因，结合轴承制造过程，提出如下预防、整改措施：

　　1）加强原材料检验及锻件质量检查在轴承制造过程中，由于很大一部分裂纹都是因原材料本身强度极限太低所致，且外购的锻坯、车坯由于供货厂家较多而造成质量状况复杂，内部质量极有可能良莠不齐，而且锻造裂纹在套圈裂纹中占有很大一部分比例。因此需重点加强原材料及外购锻车坯的检验，对于原材料重点是非金属线性夹杂、碳化物偏析、白点、缩孔、折迭等低倍组织缺陷，检验标准按YB（T）1-80。

　　对于外购的车坯、锻坯，应提出控制锻造工艺要求，着重检查硬度、金相及裂纹，尤其是裂纹，必须从严控制，因为其中往往还可能隐藏有很多细小裂纹，肉眼不易发现。而金相组织则直接影响后道热处理工序。

　　2）合理选择淬回火工艺参数

　　GCr15钢的淬回火温度，与表征强度极限的冲击值ak的关系曲线图如图8。

　　在图8A中，选择对应冲击值2.0kgf.m/cm²处的淬火温度840～855℃；图8B中对应冲击值0.9kgf.m/cm²处的回火温度160～175℃，作为GCr15钢制轴承的工艺温度，应尽可能保证冲击值处于较高水平，以提高材料的强度指标。

　　3）严防因淬火过热引起的裂纹。

　　从两方面考虑：

　　a）加强操作工的责任心，防止因设备故障引起的工件过热。

　　b）对于退火组织过细的车坯，工艺温度应选择淬火温度下限，我公司生产线上采取的是835～840℃。车坯检验中发现过细的退火组织，必须及时反馈给热处理车间，以便采取相应的工艺措施。

　　4）对于因过热而需二次淬火的零件，应按图9工艺返修，以尽可能细化组织，消除缺陷，降低应力。

　　5）控制淬火冷却介质质量、严防淬火油内混水，冷却介质应定期补充淬火油和添加剂，条件许可应定期更换（或部分更换）新油。我公司采取二年更换一次新油和清理一次油池。介质温度应控制在70～100℃，出油后去油清洗，水温应控制在50～80℃，不能用冷水清洗，以减少应力。

　　6）产品设计及车削加工过程中应尽量避免尖的倒角及凹角、沟槽和过于悬殊的壁厚差，如无法避免，则应在粗车后或淬火前加消除应力退火。

　　7）淬火后要及时回火，尤其是二次淬火的零件，更应立即回火，原则上淬火与回火之间的时间间隔不得超过3h，以防止因回火不及时而产生裂纹。

　　8）合理选择磨削加工工艺参数，如砂轮粒度及硬度、磨削速度、进给量、冷却液配方及冷却方式，经常进行磨削烧伤的检查及防范，防止磨削裂纹的产生。

　　9）提高车削加工质量。车削加工必须控制车削进刀量及夹紧力，刀尖角需刃磨修圆，不允许车削表面有过深的车削痕迹及过大的车削应力，防止引起车削刀花裂纹及尖角裂纹。

　　采取以上措施后，GCr15钢制轴承在制造过程中容易产生裂纹的问题得到了较好的控制。近几年，我公司每年生产轴承逾1000万套，从未出现轴承裂纹的批量质量事故，取得了很好的效益。

来源：《国外金属热处理》