摘  要：通過金相分析及斷口觀察，對GCr15鋼軸承套圈的磨削開裂進行了系統分析。結果表明，淬火裂紋是套圈失效的根本原因,而原材料中Cr的帶狀偏析、套圈表面的應力集中、淬火加熱時的氧化脫碳以及不當的磨削工序則共同加劇了淬火裂紋的萌生和擴展。

　　關鍵詞:GCr15鋼;軸承套圈;失效分析

　　一批GCr15鋼制軸承內、外套圈在淬火后精磨時出現了軸向或環狀裂紋,有的已裂穿甚至碎成數片。該批套圈的生產工藝流程為:棒材溫剪下料→球化退火→鍛造成型→機械加工→淬火、回火→精磨。鍛造采用感應加熱,溫度為1075～1120℃;淬火加熱在箱式保護氣氛爐中進行,工藝為840℃×45min,淬火介質采用120℃好富頓淬火油;油淬后以85℃熱水清洗,停留3～6h后再用室溫水噴淋1h,然后進行170℃×3h的回火處理。在隨后精磨端面或外圓時,部分套圈出現了開裂。作者就此進行了失效原因分析。

　　1 研究內容及方法

　　1.1 宏觀斷口形貌

　　圖1為該批軸承內、外套圈的軸向截面示意圖。通過觀察發現,失效斷口大致平行于套圈軸向,斷面平齊,屬于脆性斷裂;根據撕裂棱特征判斷裂紋走向,發現許多斷口上存在多個裂紋源,且其位置均在套圈表面易發生應力集中的機加工刀痕或棱角處(見圖1的A、B所示)。

　　1.2 探傷檢驗

　　對失效的軸承外圈進行著色探傷,發現內壁存在大量的環形裂紋,且其分布與尖銳的機加工刀痕相吻合,見圖2。

　　1.3 化學成分分析

　　對套圈的化學成分進行了檢驗,結果示于表1,可見,其化學成分既符合YB9—1968《鉻軸承鋼技術條件》的要求,也滿足原材料的訂貨要求。

　　1.4 夾雜及碳化物檢測

　　從斷口附近取樣后,沿套圈的內側、外測以及垂直軸向的平面磨樣,按標準YB921968《鉻軸承鋼技術條件》進行非金屬夾雜及碳化物級別檢測,結果見表2,可見,套圈中的非金屬夾雜及碳化物級別均符合標準的要求。

　　1.5 斷口的微觀形貌

　　以丙酮為載體,將斷口試樣用超聲波清洗后進行掃描電鏡觀察。結果發現斷口上除存在多個裂紋源外,還存在較多的非金屬夾雜物(見圖3a)和碳化物聚集現象(見圖3b)。由此可見,雖然前面的試驗顯示夾雜物和碳化物符合標準的要求,但它們在套圈中仍存在著較嚴重的局部超標現象。同時,圖3a顯示斷面上組織不夠均勻,其中,較亮區域的組織致密、晶粒細小,而較暗區域則組織疏松、晶粒較大。

　　1.6 金相組織觀察

　　(1)心部及表層組織 失效套圈的心部及表層金相組織見圖4。由圖4a可見,軸承套圈的心部為正常組織:回火隱針馬氏體+碳化物+殘留奧氏體。圖4b顯示了套圈內側未磨表層出現的貧碳現象,其組織呈現出明顯的低、中碳馬氏體形態。由于套圈的淬火加熱是在保護氣氛中進行,所以表面脫碳層的出現說明淬火時實際加熱溫度偏高或加熱時間過長。

　　(2)表面裂紋及次表層裂紋 在對失效套圈進行金相分析時,發現了許多由表面向內延伸的表面裂紋,裂紋兩側無氧化脫碳現象。此外,還發現了一些垂直于套圈表面且裂紋線曲折、分叉,而裂紋體尚未擴展到表面的次表層裂紋,見圖5。

　　(3)裂紋形貌 為了更清楚地顯示裂紋形貌,對拋光后的試樣用光鏡和掃描電鏡進行了觀察,結果見圖6。圖6a是一條從表面向內延伸的裂紋。圖6b則是一條內部裂紋的末端。雖然兩條裂紋的位置不同,但均呈現出曲折、間斷的相似形貌,而且裂紋體的有些部位出現了三角分叉現象,說明淬火時較大的內應力(包括組織應力和熱應力)使得材料內部多處發生了開裂。