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轴承外圈端面开裂分析

2013-02-21

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Z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而一步步减薄，同时周向长度伸长，轴向宽度变宽，内、外圈部的部分端面将重新转为周面，Z终贴向两边凸模，压实后整形、均匀碾薄。相比而言，碾压的周向延伸远大于轴向延伸，而且以产品壁厚作为主要控制指标，端面的贴实、压紧能力较轻。依据表面连续性原理，碾压前处于端面中部的金属将仍然处于端面，而端面承受的主要变形也是周向的伸长变形，这种变形将加剧暴露端面的缺陷。
　　图11 冲切连皮形貌
　　轴承外套外径φ162mm，内孔呈锥形，大端内径φ146mm（壁厚8mm），小端内径φ132mm（壁厚30mm），缺陷出现在大端的薄壁端部，碾压比率较大，外圆周面的影响已很小，应该是在圆钢端面外层区带出现的问题。如果是圆周面所带来，应经过相当程度的拉伸变形，不可能仅仅存在于外圈端面，在类似的成簇状的缺陷中，外圆周面上的表面裂纹可以排除；大块氧化铁皮压入、坯温过低的“Y”型冷裂多呈批量性、连续性，周面上也会有所反映；个别小区域性的结疤缺陷，在壁厚较厚时不能完全排除，但无法形成大量质量问题。
　　3.2、缺陷定性。
　　由金相分析可知，缺陷的主体不具有裂纹性质，是由凹陷和临近区的凸起组成的，凸起尺寸较薄（至少为其中的一部分）、完全暴露而完全脱碳，凹陷也因完全暴露而形成环腔形的氧化、脱碳，总体上来讲，这些缺陷的尺寸是比较小的，没有经过大量的变形。
　　那么，产品的下料端面有什么问题呢？
　　图12为我公司轴承钢热切端头形貌，椭圆和切斜随剪切温度的高低，各个钢厂都不同程度地存在，而端面毛茬、凹陷、凸棱等缺陷，我公司的比较严重。图13为建龙与巨能圆钢在等离子下料后的端面情况，巨能圆钢呈结晶状，无论烧割弧长短、规格大小均较平齐，断裂尾部区（下部）起伏较小，呈区域性、大坡度，而我公司的钢材断面呈凸粒状、十分粗糙，断裂尾部区存在较大的凹陷和剪切唇，唇区呈斜锲形，高度较高，对应的另一块料则为局部的缺肉。所有这些缺陷都将被加热、氧化、脱碳，在锻压中被压附在端面，在碾圈中受张应力而张开，不能被烧损、抹平的，Z终将体现在外圈的端面。缺肉较多的部分将不能被抹平，形成凹陷，见图13。这一类缺陷可统称为“毛头”缺陷。
图12 建龙钢材热切端头形貌
      
图13 等离子下料形貌 （左建龙、右巨能）
　　在碾压过程中，如果原有端面金属连续，成型也将稳定、连续，较少量的局部缺失也会修复，形成平整的端面；如果有较多量的区域性多肉或缺肉，在端部贴紧模壁后，将渐次向缺肉区均匀，高度差过大时，将形成整个柱面的折叠性缺陷，见图14。如果端面有压折或裂纹，将会张开、加深，界面氧化时不可能被压实；如果是圆周面的浅表裂纹，将会烧损、碾平，而较深、较长的裂纹仍会体现在外圆柱面上；假如有新的裂口出现，因过程迅速而不致氧化、脱碳过多，易于鉴别。总之，缺陷应为原下料毛坯端面的凹坑、凸起等缺陷形成的。  
      
图14 端面缺肉废品形貌

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