軸承套圈的常見缺陷及預(yù)防措施

軸承套圈的常見缺陷及預(yù)防措施

軸承套圈每個(gè)生產(chǎn)工序均會(huì)對(duì)其質(zhì)量產(chǎn)生影響。軸承失效分析中，套圈的材料孔洞缺陷、鍛造缺陷、熱處理質(zhì)量、磨削燒傷、環(huán)境腐蝕是導(dǎo)致軸承失效的主要原因，因此必須重視套圈的生產(chǎn)質(zhì)量，減少軸承因套圈質(zhì)量問題而導(dǎo)致的早期失效，最終實(shí)現(xiàn)提高軸承壽命的目的。

對(duì)廢品分析軸承套圈產(chǎn)生缺陷的原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：材料因素是影響套圈質(zhì)量的主要因素，包括材料內(nèi)部冶金缺陷，如夾雜物、夾渣、顯微孔隙，套圈因材料外部缺陷未完全清除的殘留，如脫碳、微裂紋、表面缺陷等；其次為熱處理工藝，包括熱處理質(zhì)量不合格（組織粗大，屈氏體不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，粗大網(wǎng)狀碳化物）和淬火應(yīng)力裂紋；另外，磨削質(zhì)量也是影響套圈質(zhì)量的主要因素之一，主要為磨削燒傷引起表層組織改變，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生磨削裂紋；管理因素(人為原因)主要是指套圈生產(chǎn)過程中操作不當(dāng)引起的機(jī)械傷（劃傷、墊傷）以及環(huán)境腐蝕（酸腐蝕和氧化腐蝕），提高操作人員的責(zé)任意識(shí)及業(yè)務(wù)水平可以預(yù)防此類缺陷的產(chǎn)生。

套圈存在肉眼可見的夾雜物即夾渣（主要成分為爐渣或耐火材料）時(shí)，易成為裂紋源，使套圈過早損壞甚至報(bào)廢。外圈外徑面的夾渣缺陷如圖2所示。

(a) 外徑面缺陷形貌

（b）缺陷電鏡形貌

圖2 外圈外徑面夾渣缺陷

顯微孔隙又稱顯微裂紋，金相觀察其沿晶界分布并沿軋制方向伸展。產(chǎn)生原因主要有材料中心疏松或加熱溫度過高，鋼坯心部的低熔點(diǎn)合金相熔融。若套圈中存在顯微孔隙，會(huì)極大降低晶粒間的結(jié)合力，影響套圈的力學(xué)性能；嚴(yán)重的顯微孔隙淬火時(shí)容易產(chǎn)生裂紋，若暴露至軸承零件表面則易產(chǎn)生黑點(diǎn)，降低防銹性能甚至導(dǎo)致軸承產(chǎn)生疲勞剝落。外圈顯微孔隙金相圖如圖3所示。

圖3 外圈顯微孔隙金相形貌

發(fā)紋是一種存在于鋼材表皮下層的細(xì)小裂紋缺陷。產(chǎn)生原因?yàn)殇撳V中的皮下氣泡或非金屬夾雜物經(jīng)軋制變形后，存在于材料表層且沿軋制方向斷續(xù)分布，數(shù)量不等。若套圈存在發(fā)紋缺陷，易產(chǎn)生剝落掉塊。

1.1.2 外部缺陷

外部缺陷主要有材料裂紋、脫碳、凹坑等。

材料裂紋存在于棒材表層一定深度下，折疊裂紋的特征是與表面呈一定角度，裂紋中一般有氧化皮存在，裂紋兩側(cè)有脫碳現(xiàn)象。若材料裂紋在套圈中殘留必定引起質(zhì)量問題。在套圈車削成形過程中，若材料裂紋缺陷沒有完全車除，便會(huì)在套圈上殘留，最終造成后續(xù)加工或裝配或使用過程中開裂。內(nèi)圈外徑面鋼管裂紋殘留如圖4所示。

圖4 車削成形后內(nèi)圈外徑面鋼管裂紋殘留

材料表面脫碳，若是鋼管，主要產(chǎn)生在外圈外徑面及滾道面擋邊處和內(nèi)圈內(nèi)、外徑面，分別對(duì)應(yīng)鋼管的外徑面和內(nèi)徑面；若是棒材，材料表面脫碳指鋼材外表面。脫碳對(duì)套圈質(zhì)量的影響與裂紋相似，一方面套圈淬火時(shí)易產(chǎn)生淬火應(yīng)力裂紋；另一方面，脫碳區(qū)拉應(yīng)力較大，受外力作用易開裂，因此，GB/T 1255—2014對(duì)軸承套圈表面脫碳層深度進(jìn)行了嚴(yán)格的控制。外圈外徑面殘留鋼管原始脫碳層如圖5所示。

圖5 外圈外徑面殘留鋼管原始脫碳層

材料表面缺陷，如較深的銹蝕坑、壓痕等，若車削成形時(shí)不能完全去除，亦會(huì)在套圈表面殘留，影響其加工質(zhì)量。

1.2 加工成形缺陷

套圈制造方式不同，其成形工藝不同。僅對(duì)工作中遇到的套圈成形缺陷問題進(jìn)行分析。

1.2.1 鍛造工藝

鍛造是軸承套圈常見的加工工藝。鍛造可以細(xì)化晶粒，改善網(wǎng)狀碳化物，從而提高套圈性能。然而，若鍛造工藝不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生鍛造缺陷，影響套圈質(zhì)量。如G95Cr18不銹軸承鋼，鍛造溫度過高易產(chǎn)生孿晶組織，這是標(biāo)準(zhǔn)JB/T 1460—2011嚴(yán)格控制的。常見的鍛造缺陷主要有鍛造組織過熱、過燒和鍛造折疊裂紋。

鍛造過熱組織會(huì)沿晶界析出粗大而封閉的網(wǎng)狀碳化物，嚴(yán)重的網(wǎng)狀碳化物會(huì)破壞材料的連續(xù)性，使鋼的力學(xué)性能降低，特別是沖擊韌性，而且其在退火中保持不變，只能通過正火才能消除。

過燒組織晶粒粗大，晶界局部氧化或熔融，主要原因是加熱溫度過高或保溫時(shí)間過長(zhǎng)等。GCr15軸承鋼鍛造過燒產(chǎn)生的熔融孔洞形貌如圖6所示。

圖6  鍛造過燒熔融孔洞形貌（×200）

鍛造折疊裂紋是由于切料不齊、毛刺或操作不當(dāng)?shù)仍谔兹Ρ砻嫘纬?，其特征是裂紋一般與表面呈一定角度，裂紋兩側(cè)有嚴(yán)重的脫碳層。粗磨外圈折疊裂紋形貌如圖7所示。

圖7 外圈鍛造折疊裂紋形貌

1.2.2 車削工藝

車削是軸承套圈成形的主要缺陷：一方面是不能完全清除材料表面缺陷，使套圈表面殘留，進(jìn)而影響套圈質(zhì)量；另一方面是較深切尖銳的車刀紋極易產(chǎn)生應(yīng)力集中甚至燒傷，在淬火時(shí)產(chǎn)生淬火應(yīng)力開裂，裝配時(shí)產(chǎn)生斷裂。其主要產(chǎn)生于套圈油溝及滾道面擋邊處。外圈滾道擋邊的裂紋缺陷如圖8所示，原因是擋邊存在車削燒傷。

圖8 外圈滾道面擋邊車削缺陷（×500）

1.2.3 冷輾及串光工藝

冷輾成形也是軸承套圈常見的成形方式，冷輾工藝不當(dāng)造成的套圈質(zhì)量缺陷主要為冷輾裂紋。冷輾屬于冷加工，材料延展性有限，若輾擴(kuò)較大，易產(chǎn)生冷輾裂紋，另外，GCr15軸承鋼由于存在碳化物帶（碳化物偏析聚集），此處組織硬且脆，在變形過程中易拉裂。沿碳化物帶分布的冷輾裂紋缺陷形貌如圖9所示。

圖9 沿碳化物帶分布的冷輾裂紋形貌

串光是改變套圈表面粗糙度的一種方法，其工藝不當(dāng)易造成薄壁套圈產(chǎn)生磕碰傷甚至掉塊，如圖10所示。

圖10 串光工藝不當(dāng)所致的擋邊掉塊

1.3 熱處理缺陷

熱處理（主要指淬、回火工藝）是實(shí)現(xiàn)軸承套圈高強(qiáng)韌性的重要工藝，對(duì)套圈質(zhì)量的影響較大。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，熱處理質(zhì)量缺陷約占套圈廢品的22.55%。常見的熱處理質(zhì)量缺陷主要有脫碳、淬火應(yīng)力裂紋、組織過熱及屈氏體不合格。

熱處理脫碳是指套圈淬回火過程中表層碳含量低于正常含量，可分為完全脫碳和脫貧碳。完全脫碳時(shí)套圈表層為鐵素體組織，金相下呈白色；脫貧碳時(shí)該區(qū)域馬氏體針相對(duì)基體較粗大，但均為馬氏體組織。隨著熱處理設(shè)備的改進(jìn)，套圈淬回火時(shí)主要產(chǎn)生脫貧碳現(xiàn)象，會(huì)極大降低套圈表層的耐磨性和耐疲勞性能，局部產(chǎn)生拉應(yīng)力，是微裂紋源區(qū)。

嚴(yán)重的熱處理脫碳會(huì)產(chǎn)生淬火應(yīng)力裂紋，其特征是形狀不規(guī)則，深淺不一，裂紋開口處多存在油污，金相觀察裂紋兩側(cè)無脫碳現(xiàn)象。

套圈組織過熱主要因加熱溫度過高或保溫時(shí)間過長(zhǎng)而產(chǎn)生粗大的馬氏體針。

屈氏體不符合標(biāo)準(zhǔn)要求主要是指加熱不足引起塊狀屈氏體或冷卻不良形成針狀屈氏體，宏觀表現(xiàn)為局部軟點(diǎn)即硬度不合格。外圈表面嚴(yán)重?zé)崽幚砻撎冀M織形貌如圖11所示，其在裝配時(shí)開裂。

圖11 外圈熱處理脫碳組織形貌

1.4 磨削缺陷

磨削是軸承加工過程的關(guān)鍵工序，是實(shí)現(xiàn)套圈精度尺寸要求的重要加工工藝。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，磨削質(zhì)量缺陷主要指磨削燒傷、磨削裂紋及其他磨削缺陷。磨削燒傷指表層組織燒傷（高溫回火），降低表面耐磨性；磨削裂紋導(dǎo)致套圈開裂，整批報(bào)廢，經(jīng)濟(jì)和時(shí)間損失巨大。

軸承套圈磨削燒傷常見于滾道面、內(nèi)外徑面以及端面，其特征是內(nèi)外徑面及滾道面呈振紋狀或斑塊狀，端面燒傷多呈斑塊狀。磨削燒傷冷酸洗后呈灰黑色，金相觀察組織呈暗黑色。磨削燒傷冷酸洗組織形貌如圖12所示。

圖12  套圈磨削燒傷冷酸洗組織形貌

磨削裂紋多為龜裂狀，深度較淺，金相觀察裂紋兩側(cè)無脫碳現(xiàn)象。磨削裂紋常伴有嚴(yán)重的磨削燒傷，但磨削燒傷不一定產(chǎn)生磨削裂紋。套圈磨削過程中，其表層應(yīng)力狀態(tài)較復(fù)雜，磨削裂紋的產(chǎn)生是綜合應(yīng)力的結(jié)果，因此分析其產(chǎn)生原因時(shí)需綜合考慮，尤其是磨削前各工序的加工質(zhì)量，如車削質(zhì)量、熱處理變形等。外圈內(nèi)徑面熱酸洗磨削裂紋形貌如圖13所示。

1.5 裝配質(zhì)量缺陷

圖13 外圈內(nèi)徑面熱酸洗磨削裂紋形貌

裝配質(zhì)量缺陷包括人為因素導(dǎo)致的磕碰傷或擠壓傷，裝配工藝不當(dāng)導(dǎo)致套圈局部受力較大，產(chǎn)生變形甚至斷裂，套圈保管或操作不規(guī)范會(huì)引起腐蝕及異物污染等。除裝配工藝不當(dāng)外，裝配質(zhì)量缺陷多為人為因素，而這是可以避免的。裝配過程中外圈局部掉塊如圖14所示。

圖14 裝配過程中外圈局部掉塊形貌

1.6 管理因素

管理因素主要指套圈各加工工序過程中由于人為因素引起的套圈機(jī)械傷（擠壓傷、磕碰傷、劃傷）以及腐蝕現(xiàn)象（酸蝕和銹蝕），其中以套圈腐蝕最為常見，占套圈廢品比例約為10%。腐蝕現(xiàn)象在套圈滾道面最為常見，其特征呈單一或者簇狀點(diǎn)狀缺陷(偶爾呈線狀)，嚴(yán)重時(shí)呈凹坑狀；另外，軸承各個(gè)加工工序過程均有可能產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。腐蝕現(xiàn)象雖受環(huán)境影響較大，但若操作規(guī)范完全可以避免。外圈滾道面點(diǎn)狀腐蝕缺陷形貌如圖15所示。

圖15 外圈溝道面點(diǎn)狀腐蝕缺陷形貌