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特大型軸承中擋圈端面裂紋成因分析

某廠有一批特大型四列圓柱滾子軸承中擋圈磨加工后,在探傷工序發(fā)現批量性裂紋,該中擋圈材料為GCr15SiMn鋼,尺寸大小為:700mm×90mm,其加工工藝過程為:?300mm棒料入廠超聲波探傷→鋸切→鍛造成型→球化退火→車削加工→熱處理→磨削加工→熒光探傷→裝配。產品追溯過程中發(fā)現在熱處理工序及磨削加工工序檢查時均發(fā)現端面有裂紋。筆者通過對該中擋圈進行檢驗與分析,討論了裂紋產生的原因及改進措施,為進一步避免類似缺陷的再發(fā)生提供參考和依據。


1.理化檢驗


(1)宏觀檢驗

中擋圈在熒光探傷工序發(fā)現裂紋,觀察裂紋位于中擋圈端面,呈線狀并多沿圓周方向分布,裂紋長短不一,最長約20cm,其宏觀形貌如圖1所示;且在端面發(fā)現有明顯的車刀花,制成金相試樣,檢測其深度約0.05mm,如圖2所示。



(2)化學成分分析

在中擋圈裂紋處進行取樣,大小為15mm×15mm×15mm。采用直讀光譜儀檢驗化學成分,其結果見表1。該材料的化學成分除Ti元素超出標準外,其余元素均符合GB/T 182454—2002標準要求。

中擋圈的主要化學成分    %

項目

C

Mn

Si

Cr

Mo

P

S

Ni

Cu

Ti

實測值

0.94

1.11

0.45

1.43

0.08

0.017

0.001

0.14

0.10

0.015

標準值

0.951.05

0.951.03

0.450.75

1.401.65

0.10

0.025

0.025

0.230

0.25

0.005

(3)非金屬夾雜物檢驗

在裂紋部位制取金相試樣后,在光學顯微鏡下觀察,其非金屬夾雜物級別依據材料標準GB/T 18254—2002評定,結果如表2所示。

中擋圈非金屬夾雜物評定

項目

A

B

C

D

Ds

粗細

細系

粗細

細系

粗細

細系

粗細

細系

粗細

細系

中擋圈

0

0.5

0

0.5

0

0.5

0

0.5

0

1.5

標準值

2.5

1.5

2.0

1.0

0.5

0.5

1.0

1.0

1.0

1.0

 

(4)金相檢驗 

制取金相試樣后在光學顯微鏡下觀察,可見裂紋呈撕裂狀,大致垂直于擋圈表面,尾部尖細,其內未發(fā)現氧化皮,裂紋內部及其附近局部有非金屬夾雜物,裂紋深淺不一,深度最深約11mm,其局部形貌如圖3所示。



采用4%(體積分數)硝酸酒精溶液侵蝕試樣后在顯微鏡下觀察,裂紋兩側未發(fā)現脫貧碳及燒傷現象。觀察金相組織發(fā)現裂紋附近有明顯大塊狀液析碳化物,依據JB/T18254—2002標準第九級別圖評定,液析級別為2.5級(標準規(guī)定≤2.5級),其形貌如圖4中箭頭所示。而金相組織為馬氏體組織,級別為2級,不存在過熱現象,產品硬度檢驗為58~59HRC,符合技術要求。


(5)斷口觀察

沿裂紋方向砸制斷口,其斷口形貌如圖5所示,低倍觀察,斷口表現為脆性斷口,裂紋由刀花底部向心部擴展,并在后續(xù)擴展中大致與車刀花方向一致。



2.分析討論


由于車刀花過深,會引起套圈熱處理過程中應力分布不均,在淬火冷卻過程中,極易沿車刀花應力集中部位開裂。


由上面的內部質量檢測可知,雖然中擋圈材料的化學成分滿足相關標準要求,但其非金屬夾雜物D細系超過標準要求,且裂紋周圍存在著非金屬夾雜物DS的顆粒偏大;由于該類夾雜物屬于脆性夾雜物,與基體的膨脹系數相差較大,容易造成應力集中,若該類夾雜物處于中擋圈次表層,熱處理過程中可能成為裂紋萌生源[1-4]。而金相檢驗組織也接近工件的次表面。由于碳化物液析的存在與脆性夾雜物對基體的影響相似,在很大程度上隔離了基體的連續(xù)性,造成應力集中,極易成為裂紋萌生源[5-6]。因此,該批量裂紋的產生主要原因與原材料的超標有很大關系。


由于原材料非金屬夾雜物D類超標,且裂紋區(qū)域存在偏大的顆粒非金屬夾雜物D類,加上裂紋附近有大塊狀液析,破壞了基體的連續(xù)性,以上因素的共同作用,致使套圈在熱處理淬火冷卻過程中,于材料缺陷區(qū)域產生較大的淬火應力超過材料的強度而導致開裂。


3.結論及建議


該中擋圈端面圓周方向的淬火裂紋,是由于套圈車刀花過深及原材料缺陷,破壞了基體的連續(xù)性,使得熱處理過程中在刀花底部產生應力集中,從而產生此類裂紋。


建議在原材料進廠檢驗時,應嚴格按照標準加強進廠檢驗;車加工過程嚴格按照工藝規(guī)程操作,控制車工件的表面質量,降低套圈表面應力集中,避免此類非熱處理原因導致的淬火裂紋發(fā)生。


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