一、前言

某軸承廠在裝配88107EYYN軸承期間，接連發現軸承外圈在裝配力作用下斷裂，對這批軸承套圈調查結果如下。

1.軸承結構

該軸承套圈比普通套圈多二條密封槽，此結構特點決定它比普通套圈更容易引起應力集中（見圖1）。

2.零件的選材與加工工藝

1）原材料：采用GCr15熱軋圓棒料。

2）工藝流程：下料—鍛造—退火—車削—淬火—清洗—回火—磨削—裝配。

3.工藝現狀調查

1）鍛造：由于冷卻鍛模的水管泄漏，壓力機附近地面有積水。

2）車削：操作人員采取大進給量切削，使部分套圈表面出現很深的刀痕。

3）淬火：振底式氮氣保護淬火爐，由于長期未清除爐膛，滴入的丙酮與套圈攜帶的臟物，在爐底板上形成較厚的粘狀物，使部分套圈在淬火加熱時被粘在爐內停留時間過長。

4）磨削：操作人員采取高速磨削，使用已變鈍的磨輪，并保持大進給量，導致磨削時冷卻不充分，產生大量的磨削熱。

5）裝配：裝配時須加力使套圈變形，才能將最后一顆鋼球放入內、外套圈的間隙中。如圖2所示，在外力F的作用下，套圈外表面A處和內表面B處受到拉應力，而在外表面D處和內表面C處則受到壓應力。

二、裂紋形貌及斷口特征

從該批套圈中抽取50只，先進行冷酸洗，發現部分套圈有裂紋，但未發現表面脫碳，然后對這部分套圈進行去應力回火和熱酸洗。

去應力回火工藝和熱酸洗方法為：（1）去應力回火工藝：加熱到400℃，保溫1h，取出空冷至室溫。（2）熱酸洗方法：套圈在50%HCl溶液中加熱到60℃，煮20min，取出用冷水刷洗。

熱酸洗后發現12只套圈表面有裂紋，其中淬火裂紋5只，鍛造水裂2只，車削裂紋2只，磨削裂紋3只。在這些次品套圈中，有的套圈同時存在2種不同類型的裂紋。再取不同類型的裂紋套圈各1只，垂直于裂紋截取試樣、觀察裂紋周邊和末端形貌。分析如下。

1.裂紋形貌分析

1）淬火裂紋（見圖3）：裂紋細長，彎曲不規則地分布在套圈外表面，裂紋起始端在密封槽（應力最集中的位置）。從圖4裂紋的周邊和末端形貌上可看到裂紋深0.2mm，平直無分枝，周邊無氧化脫碳區，裂尖銳利。原因是裂紋在淬火快速冷卻過程中形成，隨后套圈不再經過長時間高溫加熱，因此裂紋周圍無氧化脫碳區。

2）鍛造水裂裂紋（見圖5箭頭A處）：裂紋起始于端面倒角處，沿軸向延伸。普通鍛造裂紋是鍛加工后沿晶界出現的表面龜裂狀開裂，而鍛造水裂裂紋是鍛造成形的高溫套圈掉入地面積水中，套圈部分區域在積水中被淬火所造成。再從圖6的裂紋周邊和末端形貌上可看到，裂紋深0.5mm，平直無分枝，周邊有氧化脫碳區，裂尖圓鈍。原因是套圈在鍛造后再需退火，在退火過程中裂紋經過長時間高溫加熱，使裂紋周邊產生氧化、脫碳。

3）車削裂紋（見圖7）：裂紋短而直，沿套圈圓周方向（即車刀運動方向）斷斷續續地平行分布，再從圖8的裂紋周邊和末端形貌來看，裂紋深0.1mm，無分枝和氧化脫碳區、裂尖銳利。原因是車削裂紋也在淬火過程中形成，以后不再經歷長時間高溫加熱，所以裂紋周圍無氧化脫碳區。

4）磨削裂紋（見圖5）：裂紋呈網狀分布，其形貌與熱處理表面龜裂相似但有區別，磨削裂紋套圈的表面有時伴隨出現帶狀回火區域，熱處理表面龜裂的原因是表面脫碳，而冷酸洗時未發現表面脫碳，因此圖5中的表面網狀裂紋是磨削裂紋。再從圖9的裂紋周邊和末端形貌來看，裂紋深0.08mm，無分枝和氧化脫碳區，裂尖銳利。原因是磨削裂紋形成后也不再經歷長時間高溫加熱，因此裂紋周圍無氧化脫碳區。

2.斷口特征分析

1）淬火裂紋斷口：由灰色粗結晶狀斷口區組成，根據JB1255—91標準評定為過熱斷口（見圖10）。

2）鍛造水裂斷口：斷口由淺灰色細瓷狀脆性斷口區組成，按有關標準評為正常斷口，但在滾道一側有寬2mm、長16mm的黑色斷口區，而在黑色斷口區與淺灰色斷口區交界處有多條極細的放射線，這表明黑色斷口區為裂紋源（見圖11）。

3）車削裂紋斷口：斷口平直，由灰色細瓷狀脆性斷口區組成，按標準評為正常斷口。此外在斷口上還可看到短的徑向裂紋與套圈內表面粗車刀痕相連，這表明裂紋是在粗車刀痕根部起裂并朝徑向擴展而形成，在外力作用下它進一步加深（見圖12箭頭處）。

4）磨削裂紋斷口：斷口由淺灰色細瓷狀脆性斷口區組成，按標準可評為正常斷口，此外在斷口上也有放射線，但無黑色斷口區（見圖13）。

三、裂紋形成原因及預防措施

1.淬火裂紋的形成原因是由于在振底式氮氣保護爐內部分套圈被粘住，而未能按節拍振出高溫加熱區，導致淬火加熱溫度過高，加熱時間過長，使奧氏體晶粒變粗，碳化物溶解過多，在淬火過程中形成粗大馬氏體，伴隨產生很大的組織應力和熱應力，當套圈應力集中處（密封槽）的應力超過原子間結合力則產生微裂紋，隨后微裂紋進一步擴展形成淬火裂紋。預防措施是清理振底式氮氣保護爐爐膛粘狀物，防止套圈加熱時被粘住。

2.鍛造水裂裂紋的形成原因是鍛加工時操作人員不慎將剛鍛造成形的高溫套圈掉入機床附近的地面積水中，預防措施是排除地面積水或防止套圈掉入積水。

3.車削裂紋的形成原因是淬火冷卻時在粗車刀痕處產生應力集中，使刀痕根部開裂產生微裂紋并徑向擴展。預防措施是使操作人員正確地執行操作工藝，避免產生粗車刀痕。

4.磨削裂紋的形成原因是磨削過程中采用鈍磨輪和大進給量高速磨削，使套圈表面溫度達820～840℃，套圈表面部分區域被重新奧氏體化，這部分奧氏體在冷卻液作用下再次被淬火成馬氏體（二次馬氏體），由此產生很大的熱應力和組織應力，結果在套圈表面形成網狀磨削裂紋。預防措施是及時修整磨輪，避免采用大進給量高速磨削，減少磨削熱。

四、結論

1.淬火裂紋：裂紋呈不規則線條狀，起始于應力集中區（如棱角、凹槽、夾雜物等部位），裂紋周邊無氧化脫碳區，裂尖銳利，過熱斷口。

2.鍛造水裂裂紋：裂紋較深，起始于水浸部位，裂紋周邊有氧化脫碳區，裂尖圓鈍，正常斷口。

3.車削裂紋：裂紋較淺，呈直線狀，起始于粗車刀痕根部，裂紋斷斷續續地沿車刀運動方向平行分布，裂紋周邊無氧化脫碳區，裂尖銳利，正常斷口。

4.磨削裂紋：裂紋較淺呈網狀，磨削表面常伴隨出現帶狀回火區，裂紋周邊無氧化脫碳區，裂尖銳利，正常斷口。

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