带支柱孔渗碳钢滚子内裂分析

闫德，陶慧芳，郝彭，谢二庆

(1. 西北轴承股份有限公司，银川 750021；2.兰州大学 物理科学与技术学院，兰州 730000)

G20Cr2Ni4A渗碳钢常用于制作轧钢机和承受重载荷冲击的特大型轴承，但渗碳钢滚子内裂不易发现，成为产品质量的隐患，从而给企业造成不必要的经济损失，因此十分有必要对滚子内裂原因进行分析。滚子内裂的常见原因主要有材料本身的缺陷和热处理工艺不当等。以生产过程中发现的一批内裂较多的带支柱孔圆锥滚子为例，分析其内裂原因。

1 滚子加工工艺

滚子材料为G20Cr2Ni4A渗碳钢，并且为电炉钢，滚子尺寸为Φ63.5 mm×Φ60.919 mm×77.07 mm，内孔为20 mm。主要加工路线为：校直钢棒→车外径、切断→细车端面、倒圆角→钻孔→软磨外径→深层渗碳(940 ℃×60 h)→淬火(860～880℃，油温80～100℃)→高温回火(680℃×24h，620 ℃×24 h)→二次淬火→低温回火→粗磨→附加回火(150 ℃)→细磨→精磨→磁粉探伤→终磨→分组→涂油包装。

2 检验与分析

2.1 宏观观察

滚子形貌如图1a所示。经磁粉探伤后发现，外表面无明显聚磁现象，而支柱孔内表面有3处出现明显聚磁，且聚磁方向均沿滚子的轴向，如图1b所示。采用线切割的方法将滚子横向切开，经热酸洗后发现横切面上有2条未贯通内、外表面的放射状裂纹，如图1c所示，说明滚子发生了内裂，开裂面在内、外表面之间。由于开裂面距内表面较近，漏磁较多，故内表面有明显磁痕；外表面漏磁较少，未发现明显聚磁现象。

图1 滚子形貌及磁粉探伤后内表面和横切面的磁痕

2.2 化学成分分析

采用德国GVM-1014S原子发射直读光谱仪对内裂滚子样品进行化学成分分析，结果见表1。由表1可知，内裂滚子化学成分符合GB 3203—1982《渗碳轴承钢技术条件》要求。

表1 内裂滚子化学成分(质量分数) %

2.3 非金属夹杂物检验

在内裂滚子上取样，经制备后放置在40 MAT蔡司金相显微镜下检验材料非金属夹杂物，结果见表2。由表2可知，滚子材料符合GB 3203—1982对非金属夹杂物的要求。

表2 滚子材料中非金属夹杂物 级

2.4 硬度检测

采用维氏硬度计并按照JB/T 8881—2011《滚动轴承零件渗碳热处理技术条件》对内裂滚子样品的渗碳层深度、硬度及渗碳层硬度梯度进行检测，结果见表3和图2。检测结果均符合标准规定要求。

图2 渗碳层硬度的分布曲线

表3 滚子渗碳层深度和硬度检测结果

2.5 金相检验

采用40 MAT蔡司金相显微镜观察裂纹，其微观形貌如图3所示。由图3a可知，裂纹主要沿晶界扩展，两侧及尖端尾部均未发现夹杂物；由图3b可知，裂纹中间部分较粗，应是裂纹源区；由图3c可知，裂纹两侧未发现氧化脱碳现象。

图3 金相显微镜下裂纹的微观形貌

试样再经4%硝酸酒精溶液浸蚀后，按JB/T 8881—2011检验并评定其显微组织，其结果见表4和图4。表层和心部组织均符合标准要求。

图4 试样显微组织

表4 滚子表层和心部组织检验结果

2.6 断口分析

2.6.1 宏观断口分析

将样品沿开裂面打开，使之形成一个完整的断口，如图5a所示。经仔细观察发现，不同滚子的开裂面形貌基本一致，整个断口平齐，为银灰色细瓷状，故取其中一个进行分析。整体上看，断口最外围是渗碳层，内裂面被局限在外围坚硬的渗碳层外壳中，并未到达表面。从断面上可观察到明显的人字纹，逆着人字纹的扩展方向可找到裂纹源，大致位于内、外表面的中央，距离内、外径表面的距离大致相等，并靠近一侧端面。

仔细观察裂纹源区可发现一条肉眼可见的白色亮纹，亮纹部分的局部放大图如图5b所示，亮纹沿轴向呈直线状，长约3 mm，周围呈放射条纹状。因为亮纹存在于裂纹源区，初步判断此滚子内裂与内部存在轴向裂纹源有关。

图5 滚子断口宏观形貌

2.6.2 微观断口分析

为了进一步分析裂纹源区的亮纹，采用线切割在裂纹源区取样，经超声波清洗后，放置在扫描电镜(JSM-5600LV，SSX-550和Hitachi S4800)下进行观察。

样品白色亮纹处的低倍SEM照片(图6a)显示亮纹实际长度为5.77 mm。高倍FESEM照片(图6b)显示亮纹外断口形貌为解理状，亮纹处则为光滑的“流线”形貌，其边缘外围断口形貌为“冰糖块状”，证明为沿晶脆断。高倍观察发现亮纹内存在大量异物，如图6c所示。

图6 长时间超声波处理后样品的缺陷形貌

为进一步确定亮纹的性质，分别对亮纹内基体(即亮纹内异物之外的部分)、亮纹外基体及亮纹内异物进行能谱分析，如图7所示。结果表明，亮纹内、外基体的成分基本一致，以铁和碳为主，不存在元素异常；亮纹内夹杂物成分以铝和氧为主，由此确定异物为不可变形的氧化铝夹杂。

图7 样品缺陷内、外的EDS图

3 结果分析与讨论

根据文献[1]的定义——“发纹是一种原材料缺陷，是钢中的非金属夹杂物或气孔在轧制或拉拔过程中随金属的变形伸长而形成的”，认定此缺陷为发纹。发纹经常出现在棒料或锻件的表面，一般沿金属显微方向呈连续或断续的直线[2]。虽然多见于表面，但内部发纹也完全有存在的可能性[3]，并且发纹距表面深度越深，尖端曲率半径越小，应力集中越大。形成发纹的非金属夹杂物可分为可变形的夹杂物和不可变形的夹杂物，一般来说，不可变形的非金属夹杂物危害更大[4-5]，更容易成为裂纹源。而所观察到的发纹就是由不可变形的非金属夹杂物氧化铝形成的内部发纹。

根据GB 3203—1982，G20Cr2Ni4A属于高级优质钢，不允许发纹存在。然而样品中却存在一条5.77 mm的发纹，且发纹内存在大量非金属夹杂物氧化铝。这表明样品材质有严重的冶金缺陷，不符合标准要求。

工件的内裂往往并非由单一因素导致。对所分析的滚子样品来说，发纹是内裂的最主要原因，而渗碳钢在淬火过程中特殊的应力是内裂的诱因。

渗碳钢滚子在渗碳之后必须要进行淬火，以增加其硬度和强度。钢的马氏体转变温度(即Ms点)随含碳量的升高而降低。由于渗碳层的存在，含碳量在外表面处最高，然后随着距表面距离的增加而逐渐降低，心部没有渗碳的地方含碳量最低。相应地，心部的Ms点最高，越靠近表面则Ms点越低。由于心部的Ms点最高，淬火时随着温度的快速降低，心部首先达到Ms点。故相变时心部首先相变为马氏体，从而产生体积膨胀。而此时内、外表面由于Ms点较低，尚未开始相变，由于温度的降低，体积反而略微变小。这使内、外表面产生塑性拉伸，而心部则被塑性压缩。随着温度的进一步降低，马氏体相变扩展至内、外表面区域，内、外表面区域因转变为马氏体而体积膨胀，但却受到心部已相变区域的阻碍而使内、外表面呈压应力状态，而心部已相变区域则由于内、外表面区域体积的膨胀而呈拉应力状态。因此，渗碳钢淬火后的残余应力为：表面压应力，心部拉应力[6]。

由于渗碳钢心部为拉应力状态，若恰好心部存在裂纹源，则裂纹源很可能会在瞬间强大的拉应力作用下失稳扩展，发展成内裂或断裂。对所分析的这批滚子而言，心部均存在或长或短的发纹，在心部拉应力的作用下发纹两端会产生应力集中，从而导致发纹失稳扩展而发展为内裂。

开裂面并没有穿过渗碳层可能是由于以下原因：(1)当内裂扩展至渗碳层时，内部开裂已经在很大程度上释放了心部拉应力，裂纹失去了扩展的动力条件；(2)表面渗碳层呈压应力状态，可阻止裂纹扩展；(3)渗碳层硬度和强度都很高，不易开裂。

4 结论

(1)滚子材料中冶金缺陷的存在——发纹是其内裂的主要原因，发纹在淬火过程中由于心部拉应力的作用导致失稳扩展而成为内裂。渗碳钢特殊的淬火应力是滚子内裂的次要原因。

(2)对于大尺寸滚子，建议选用氧含量低、洁净度高、无发纹的电渣重熔钢，以避免淬火内裂的产生。