軸承的作用是在使用過程中支撐機械旋轉體。在周期負荷的作用下，軸承接觸外表面，易發生疲勞剝落等問題。此外，在運行過程中，軸承的套圈、滾動體和維持架之間除發生滾動摩擦外，還會發生滑動摩擦，導致軸承零件磨損。因此，軸承鋼必須具有很好的耐磨性。GCr15軸承鋼是一種合金含量較少、性能良好、應用廣泛的高碳鉻軸承鋼。該鋼經過淬火、回火處理后,具有較高的硬度、良好的耐磨性、優異的抗接觸疲勞性能。
某公司生產軸承套圈的工藝為：電弧爐冶煉→精煉→真空處理→連鑄→熱軋成圓棒→下料段→加熱→穿孔→球化退火(保護氣氛)→冷拔→下料→機械加工。機械加工后，發現部分軸承套圈內表面發生開裂現象，為查明套圈內表面開裂原因，研究人員采用一系列理化檢驗方法對其進行分析，以避免該類問題再次發生。
1、 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
開裂套圈的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：套圈內表面的裂紋大多沿套圈軸向分布，且裂紋的寬度和長度均不一致。
1.2 化學成分分析
在開裂套圈上取樣，對試樣進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知：開裂套圈的化學成分滿足GB/T 18254—2016 《高碳鉻軸承鋼》對GCr15軸承鋼的要求。
1.3 掃描電鏡(SEM)及能譜分析
將開裂套圈沿裂紋人工打開，采用 SEM對斷口進行觀察,結果如圖2所示。由圖2可知：套圈內表面存在長條形凹坑,由套圈端部向內寬度先變寬后變窄，較窄的部位可見顆粒狀異物，異物與套圈基體之間有明顯的界限。
采用能譜儀對異物及基體進行分析，結果如圖3所示。由圖3可知：異物與基體成分差異較大，異物主要含有 Cr、W、Co等元素，而基體的化學成分與GCr15鋼基本一致。
2、 綜合分析
由上述理化檢驗結果可知：開裂套圈的化學成分滿足標準要求，裂紋位于套圈內表面，且裂紋沿套圈軸向方向延伸。套圈內表面存在長條形凹坑，凹坑由套圈端部向內先變寬后變窄，較窄的部位可見顆粒狀異物，異物與套圈基體之間有明顯的界限。異物主要含有 Cr、Mo、W、Co等元素，這些元素不屬于軸承套圈的基體，且這些元素集中區域與軸承套圈基體之間存在明顯的界限。說明鋼管內部的異物并不是在冶煉過程中進入鋼的，而是在穿孔或者拉拔過程中，異物被擠壓至鋼管內表面所致。異物嵌入基體，使鋼管內表面的連續性被破壞，最終導致套圈產生裂紋。
生產套圈毛坯的主要方式有：將棒材下料，然后熱鍛成套圈毛坯；將棒材進行穿孔處理，然后冷拔成鋼管。采用鍛造加工的方式生產套圈毛坯可以消除金屬的內在缺陷，改善金屬的組織，使金屬流線分布更合理，成型套圈的尺寸分布更廣。采用穿孔、冷拔的加工方式生產套圈毛坯，生產效率更高。因此，采用穿孔、冷拔的加工方式生產小規格套圈毛坯，采用鍛造加工的方式生產大規格套圈毛坯。
該開裂套圈為小規格軸承，為提高生產效率，采用穿孔、冷拔的加工方式生產套圈毛坯。在生產套圈的過程中，穿孔頂頭及芯棒會與基體接觸，并引入外來金屬。經調查，生產該批次軸承套圈時，使用的穿孔頂頭材料為含Cr、Mo、W、Co等元素的合金鋼，使用的芯棒材料為4Cr5MoSiV1鋼。在生產套圈的過程中，穿孔頂頭與高溫管坯的內表面接觸，承受著壓應力、切應力及表面摩擦力的綜合作用，導致穿孔頂頭發生開裂，甚至破碎。
3、 結論及建議
軸承套圈開裂的原因是：在穿孔過程中，使用的穿孔頂頭發生破碎，破碎的顆粒嵌入基體中，破壞了基體的連續性，最終導致套圈內表面發生開裂。
建議加強對頂頭的檢查，及時更換破損的頂頭。改善制造工藝，提高生產質量。
作者：劉月云，楊娥，周楊，彭先錦
單位：大冶特殊鋼有限公司 高品質特殊鋼 湖北省重點實驗室
來源：《理化檢驗-物理分冊》2023年第11期
