軸承外圈端面開裂分析
2013-02-21
曹利 劉樹濤
（承德建龍特殊鋼有限公司）
1、概述（承德建龍特殊鋼有限公司）
軸承外套有2種基本的生產工序：
1.1 等離子下料—反射爐加熱—鐓餅—沖盂—沖切連皮—碾圈—整形—機械加工……
1.2 熱剪下料—工頻加熱—鐓餅—沖盂—沖切連皮—碾圈—整形—機械加工……
熱切工藝的效率、自動化水平較高，但會因切頭不整、歪斜造成鍛壓偏心度過大而甩廢；而冷切工藝需手工斷料，效率較低，但反射爐加熱經濟、熱值低，工藝不需要精確調整，控制容易。
在碾圈端面易出現開裂，目前就一種開裂進行原因分析，如圖1中箭頭所示。缺陷集中分布在端面的一個區域，開口較大的缺陷可見缺陷深度，在內、外圓柱面上沒有延伸。形態方面不具有裂紋形態 ，更近于折皺類缺陷。因部分缺陷深度較深造成車削后尺寸不足而報廢。
圖1 軸承外圈的缺陷形貌
軸承外套的缺陷有多種，僅就此種缺陷分析，借以引出問題，逐步改善。取缺陷區的切向外表面進行分析。 2、金相分析
自套圈缺陷處外周面的切向磨削，首先觀察到開口較大的缺陷，整體呈腔形，底部右側的特征如圖2所示，底部呈大弧形狀，界面不整，氧化層較厚。腐蝕后該缺陷左側的組織形貌如圖3所示，角部Z厚處的氧化層為0.70mm。從脫碳層來看，腔形左側的凸起區金屬呈完全脫碳狀態，自尖端至基體組織處脫碳深度為1.12mm，而臨近的正常區端面（箭頭2所指）的脫碳層深度僅為其1/5，基體組織的邊界呈凸弧形（箭頭1所指）。從晶粒大小來講，端面薄層及凸起區根部至內尖角小裂紋區（箭頭3所指）一帶晶粒十分細小，其它區域則較大，對于端面晶粒細小容易理解，變形率較大及與型腔的摩擦、錯動所致，而凸起的根部這一帶細小，是否意味著進行了額外的彎矩變形？綜合起來可以這樣理解，尖角區金屬原來可能為高出表面的凸起被壓折，或者是凸起本身連帶著凹陷，而不是原來平整的面，由于碾壓變形不均形成的。
圖2 大開口缺陷的底部左側形貌（×50 ）
圖3 大開口缺陷底部右側腐蝕后的形貌（×50）
沿觀測面繼續向內層磨削，可以看到如圖4類型的較深缺陷，內塞滿氧化鐵，底部基體上分布著線狀的氧化物質點，有可能為氧化較輕的裂面在金屬的劇烈變形中彌合，留下氧化物痕跡。
圖4 另一缺陷的整體形貌（×100 ）
圖5 第三類缺陷的形貌 （×100）
圖5為接近彌合狀態的缺陷，附近的基體上環繞缺陷散布著二次氧化質點，為高溫擴散氧化生成物，這種形態表明該缺陷為較窄缺口經歷高溫氧化加熱。應該說明，這些圖片僅為缺陷的一個截面視圖，缺陷的深度及寬度均不具有代表性。腐蝕后的形貌如圖6所示，脫碳區呈環繞缺陷的大弧形，內壁分布有垂直于壁面的完全脫碳的鐵素體。從脫碳分布情況看，形態近于一個開口腔形，尾部有一條窄細裂縫。體部正常區金相組織如圖7所示，為碾圈過程中劇烈變形所形成的粒狀珠光體組織。
圖6 另一缺陷的整體形貌 （×100）
圖7 體部區域的組織形貌 （×500）
3、綜合分析軸承外圈經過多道工序的加工，一些較小的缺陷進行變異，很難確切地追溯到原始狀況，可靠的方法為現場進行分類跟蹤、調查。不過，仍然有一些線索可以進行推測，有助于理出思路，作些努力，驗證推論的正確性。在此，缺陷定性顯得十分重要，它涉及到改進方向及效果。
3.1 缺陷對應在圓鋼上的位置。
該缺陷呈簇狀、集中分布于軸承外套圈的端面，在內、外柱面上沒有延伸，僅分布于端面一定深度范圍內。那么，缺陷是如何形成的？缺陷能否對應出在鍛造毛坯上的位置？
在鐓餅鍛粗工序，臨近原鋼材端部的少部分圓柱面轉變為端面，如圖8所示，視鍛壓比的不同，轉變量不同（注：圖8鍛壓比為3 ）。圖中因端面鋸斜而出現鍛斜和紋路歪扭問題，引入端面的柱面量也不均。極端情況下，因過度偏斜而甩廢。
圖8 鐓餅端面形貌
在沖盂過程中，因模腔約束沖孔只能在鐓餅件的中心，加劇了原柱面的變形不均，見圖9，圖中兩側的高度和徑向擴張量差異明顯。沖頭直徑的選擇要保證碾成大圈足夠的肉量，一般不會太大（圖中為φ35mm）。這樣如為φ50～70mm規格圓鋼，將有原鋼材端面的外層區和部分端部圓周面構成了新的端面。鐓粗時因鐓模的熱應力疲勞裂紋，在沖盂端面上仍有反映，見圖10。
圖9 其中一種沖盂形貌
圖10 另一種沖盂形貌
圖11為沖切連皮的形貌，略呈鼓形，相當于原鋼端面的心部區域，除了心部的較長裂紋或其它類缺陷外，其外沿區（即與圈端面相接區），尚有一些小缺陷，無論是壓折還是裂紋，難保相接的端面上不會有同樣的缺陷存在。在碾壓初期，端面處于單向自由狀態，將變成鼓形，隨著碾輥位移和壓力的增大而一步步減薄，同時周向長度伸長，軸向寬度變寬，內、外圈部的部分端面將重新轉為周面，Z終貼向兩邊凸模，壓實后整形、均勻碾薄。相比而言，碾壓的周向延伸遠大于軸向延伸，而且以產品壁厚作為主要控制指標，端面的貼實、壓緊能力較輕。依據表面連續性原理，碾壓前處于端面中部的金屬將仍然處于端面，而端面承受的主要變形也是周向的伸長變形，這種變形將加劇暴露端面的缺陷。
圖11 沖切連皮形貌
軸承外套外徑φ162mm，內孔呈錐形，大端內徑φ146mm（壁厚8mm），小端內徑φ132mm（壁厚30mm），缺陷出現在大端的薄壁端部，碾壓比率較大，外圓周面的影響已很小，應該是在圓鋼端面外層區帶出現的問題。如果是圓周面所帶來，應經過相當程度的拉伸變形，不可能僅僅存在于外圈端面，在類似的成簇狀的缺陷中，外圓周面上的表面裂紋可以排除；大塊氧化鐵皮壓入、坯溫過低的“Y”型冷裂多呈批量性、連續性，周面上也會有所反映；個別小區域性的結疤缺陷，在壁厚較厚時不能完全排除，但無法形成大量質量問題。3.2、缺陷定性。
由金相分析可知，缺陷的主體不具有裂紋性質，是由凹陷和臨近區的凸起組成的，凸起尺寸較薄（至少為其中的一部分）、完全暴露而完全脫碳，凹陷也因完全暴露而形成環腔形的氧化、脫碳，總體上來講，這些缺陷的尺寸是比較小的，沒有經過大量的變形。
那么，產品的下料端面有什么問題呢？
圖12為我公司軸承鋼熱切端頭形貌，橢圓和切斜隨剪切溫度的高低，各個鋼廠都不同程度地存在，而端面毛茬、凹陷、凸棱等缺陷，我公司的比較嚴重。圖13為建龍與巨能圓鋼在等離子下料后的端面情況，巨能圓鋼呈結晶狀，無論燒割弧長短、規格大小均較平齊，斷裂尾部區（下部）起伏較小，呈區域性、大坡度，而我公司的鋼材斷面呈凸粒狀、十分粗糙，斷裂尾部區存在較大的凹陷和剪切唇，唇區呈斜鍥形，高度較高，對應的另一塊料則為局部的缺肉。所有這些缺陷都將被加熱、氧化、脫碳，在鍛壓中被壓附在端面，在碾圈中受張應力而張開，不能被燒損、抹平的，Z終將體現在外圈的端面。缺肉較多的部分將不能被抹平，形成凹陷，見圖13。這一類缺陷可統稱為“毛頭”缺陷。
圖12 建龍鋼材熱切端頭形貌
圖13 等離子下料形貌 （左建龍、右巨能）
在碾壓過程中，如果原有端面金屬連續，成型也將穩定、連續，較少量的局部缺失也會修復，形成平整的端面；如果有較多量的區域性多肉或缺肉，在端部貼緊模壁后，將漸次向缺肉區均勻，高度差過大時，將形成整個柱面的折疊性缺陷，見圖14。如果端面有壓折或裂紋，將會張開、加深，界面氧化時不可能被壓實；如果是圓周面的淺表裂紋，將會燒損、碾平，而較深、較長的裂紋仍會體現在外圓柱面上；假如有新的裂口出現，因過程迅速而不致氧化、脫碳過多，易于鑒別。總之，缺陷應為原下料毛坯端面的凹坑、凸起等缺陷形成的。
圖14 端面缺肉廢品形貌
