轴承套圈端面缺陷分析方法探讨

郭浩，梁华，王正德，李少亮，王浩

(1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039；2.浙江健力股份有限公司，浙江 诸暨 311800)

随着科学技术、节能环保的快速发展，主机对轴承的使用条件要求越来越苛刻，如高温、高速、重载、强磁等，对轴承的性能要求也越来越高，如高可靠性、长寿命等。套圈端面缺陷严重影响轴承的使用寿命和加工成本，若成品套圈端面存在裂纹缺陷，使用过程中易在缺陷处开裂而造成断裂失效，甚至导致重大事故。因此，需进行套圈端面缺陷的研究。文献[1]对轴承钢环件轧制端面凹坑及折叠缺陷进行研究，认为合理分配径向和轴向轧制力可以减少端面折叠缺陷；文献[2]对轴承内圈端面块状物缺陷进行分析，认为块状物缺陷由材料中的非金属夹杂物造成；文献[3]对轴承内圈端面磁痕缺陷进行分析，认为其属于材料冶金缺陷。然而，以上研究过于单一，没有系统归纳套圈端面缺陷种类及分析方法。因此，下文总结了套圈端面常见的缺陷种类，归纳了套圈端面缺陷的分析思路及方法。

1 缺陷类型及分析方法

1.1 套圈端面的常见缺陷

套圈端面比较常见的缺陷主要有：锻造折叠裂纹、冷辗扩裂纹、磨削烧伤及裂纹、淬火裂纹、材料发纹及夹渣等，其宏观形貌特征、微观金相组织、产生原因及分析方法见表1[4]。

1.2 分析步骤

拍摄缺陷轴承的照片，观察缺陷的宏观形貌，结合表1对缺陷种类及分析方法进行初步判定；确定缺陷的切剖部位和方向，制备金相试样进行检验与分析；根据分析的进展程度和实际需要选择扫描电镜、能谱仪等进行微观特征观察和分析；进行综合评判，确定套圈端面缺陷的类型及其产生原因。

表1 套圈端面缺陷的特征、产生原因及分析方法

2 实例分析

某公司生产的轴承套圈，其材料为GCr15钢，加工工序为：热锻退火件→车加工→热处理→磨加工→装配。在成品装配时发现内圈端面上有黑色弧状缺陷，其宏观形貌如图1所示。

图1 成品轴承缺陷(标记处)

2.1 金相分析

将成品轴承拆套后，用线切割在内圈缺陷部位取样，并将其纵向剖面制成金相观察面，在光学显微镜下观察缺陷部位形貌，缺陷宽0.55 mm,深1.2 mm。按照JB/T 1255—2001《高碳铬轴承钢滚动轴承零件 热处理技术条件》对金相组织进行观测和评级，淬回火组织为3级，网状碳化物为1级。观察发现，缺陷呈深灰色，由端面沿轴向延伸，且具有一定的宽度，内部分布有大小不等的块状灰色异物，在缺陷下方的基体中也有大量块状或点状分布的异物(图2)，试样经腐蚀后发现缺陷两侧及底部均存在较深的脱贫碳层。

图2 内圈缺陷及异物的微观形貌

2.2 电镜及能谱分析

将试样清洗干净，吹干后放置在JSM6380LV扫描电子显微镜中，对缺陷部位进行变倍观察，其形貌如图3所示。用EDS7582型能谱仪对电镜图3a中缺陷的化学成分进行分析，能谱曲线如图4所示。由图4可以看出，灰色块状异物的化学成分主要为O，Fe，Si，Mg，Ca等元素，其中O，Mg，Ca等并非GCr15钢中的成分元素，属于冶炼过程中形成的冶炼炉渣。

图3 扫描电镜下内圈端面缺陷形貌

图4 缺陷能谱曲线图

2.3 结果分析

根据轴承内圈的金相组织检验结果可知，该产品的淬回火组织符合JB/T 1255—2001标准。由于轴承内圈端面缺陷内部及其底部下方的基体中分布有大量的灰色块状物，因此可以确定，该缺陷的形成与灰色块状异物有直接关系。

从扫描电镜的能谱分析结果中可知，内圈中灰色块状物并非材料内生夹杂物，而是在冶炼过程中形成的残留炉渣，即夹渣[5]。因此，轴承内圈端面上的弧状缺陷属于原材料冶炼缺陷。由于夹渣位于内圈端面中部，缺陷两侧及底部均存在严重脱贫碳，证明锻造时材料夹渣缺陷已全部或部分暴露，从而形成了类似于锻造折叠裂纹的缺陷。

3 结束语

套圈端面缺陷分析应首先根据宏观形貌，初步判断产生缺陷的可能原因，再准确制备分析试样，借助金相显微镜、扫描电子显微镜和电子探针等仪器对缺陷进行低倍形貌、微观形貌、微区成分、组织形态等方面的观察，最后结合材料缺陷(材料成分、夹杂物、显微组织、冶炼等缺陷)分析技术和加工缺陷(轧制、辗扩、锻造、热处理、磨削等缺陷)分析技术进行综合评判，得出正确结论。