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轴承外圈端面开裂分析 曹利 刘树涛 承德建龙特殊钢有限公司 1、概述 轴承外套有2种基本的生产工序： 1.1 等离子下料—反射炉加热—镦饼—冲盂—冲切连皮—碾圈—整形—机械加工…… 1.2 热剪下料—工频加热—镦饼—冲盂—冲切连皮—碾圈—整形—机械加工…… 热切工艺的效率、自动化水平较高，但会因切头不整、歪斜造成锻压偏心度过大而甩废；而冷切工艺需手工断料，效率较低，但反射炉加热经济、热值低，工艺不需要精确调整，控制容易。 在碾圈端面易出现开裂，目前就一种开裂进行原因分析，如图1中箭头所示。缺陷集中分布在端面的一个区域，开口较大的缺陷可见缺陷深度，在内、外圆柱面上没有延伸。形态方面不具有裂纹形态 ，更近于折皱类缺陷。因部分缺陷深度较深造成车削后尺寸不足而报废。 图1 轴承外圈的缺陷形貌 轴承外套的缺陷有多种，仅就此种缺陷分析，借以引出问题，逐步改善。取缺陷区的切向外表面进行分析。 2、金相分析 自套圈缺陷处外周面的切向磨削，首先观察到开口较大的缺陷，整体呈腔形，底部右侧的特征如图2所示，底部呈大弧形状，界面不整，氧化层较厚。腐蚀后该缺陷左侧的组织形貌如图3所示，角部最厚处的氧化层为0.70mm。从脱碳层来看，腔形左侧的凸起区金属呈完全脱碳状态，自尖端至基体组织处脱碳深度为1.12mm，而临近的正常区端面（箭头2所指）的脱碳层深度仅为其1/5，基体组织的边界呈凸弧形（箭头1所指）。从晶粒大小来讲，端面薄层及凸起区根部至内尖角小裂纹区（箭头3所指）一带晶粒十分细小，其它区域则较大，对于端面晶粒细小容易理解，变形率较大及与型腔的摩擦、错动所致，而凸起的根部这一带细小，是否意味着进行了额外的弯矩变形？综合起来可以这样理解，尖角区金属原来可能为高出表面的凸起被压折，或者是凸起本身连带着凹陷，而不是原来平整的面，由于碾压变形不均形成的。 图2 大开口缺陷的底部左侧形貌（×50 ） 图3 大开口缺陷底部右侧腐蚀后的形貌（×50） 沿观测面继续向内层磨削，可以看到如图4类型的较深缺陷，内塞满氧化铁，底部基体上分布着线状的氧化物质点，有可能为氧化较轻的裂面在金属的剧烈变形中弥合，留下氧化物痕迹。 图4另一缺陷的整体形貌（×100 ） 图5第三类缺陷的形貌 （×100） 图5为接近弥合状态的缺陷，附近的基体上环绕缺陷散布着二次氧化质点，为高温扩散氧化生成物，这种形态表明该缺陷为较窄缺口经历高温氧化加热。应该说明，这些图片仅为缺陷的一个截面视图，缺陷的深度及宽度均不具有代表性。腐蚀后的形貌如图6所示，脱碳区呈环绕缺陷的大弧形，内壁分布有垂直于壁面的完全脱碳的铁素体。从脱碳分布情况看，形态近于一个开口腔形，尾部有一条窄细裂缝。体部正常区金相组织如图7所示，为碾圈过程中剧烈变形所形成的粒状珠光体组织。 图6另一缺陷的整体形貌 （×100） 图7 体部区域的组织形貌 （×500） 3、综合分析 轴承外圈经过多道工序的加工，一些较小的缺陷进行变异，很难确切地追溯到原始状况，可靠的方法为现场进行分类跟踪、调查。不过，仍然有一些线索可以进行推测，有助于理出思路，作些努力，验证推论的正确性。在此，缺陷定性显得十分重要，它涉及到改进方向及效果。 3.1 缺陷对应在圆钢上的位置。 该缺陷呈簇状、集中分布于轴承外套圈的端面，在内、外柱面上没有延伸，仅分布于端面一定深度范围内。那么，缺陷是如何形成的？缺陷能否对应出在锻造毛坯上的位置？ 在镦饼锻粗工序，临近原钢材端部的少部分圆柱面转变为端面，如图8所示，视锻压比的不同，转变量不同（注：图8锻压比为3 ）。图中因端面锯斜而出现锻斜和纹路歪扭问题，引入端面的柱面量也不均。极端情况下，因过度偏斜而甩废。 图8 镦饼端面形貌 在冲盂过程中，因模腔约束冲孔只能在镦饼件的中心，加剧了原柱面的变形不均，见图9，图中两侧的高度和径向扩张量差异明显。冲头直径的选择要保证碾成大圈足够的肉量，一般不会太大（图中为φ35mm）。这样如为φ50～70mm规格圆钢，将有原钢材端面的外层区和部分端部圆周面构成了新的端面。镦粗时因镦模的热应力疲劳裂纹，在冲盂端面上仍有反映，见图10。 图9 其中一种冲盂形貌 图10 另一种冲盂形貌 图11为冲切连皮的形貌，略呈鼓形，相当于原钢端面的心部区域，除了心部的较长裂纹或其它类缺陷外，其外沿区（即与圈端面相接区），尚有一些小缺陷，无论是压折还是裂纹，难保相接的端面上不会有同样的缺陷存在。 在碾压初期，端面处于单向自由状态，将变成鼓形，随着碾辊位移和压力的增大