軸承鋼又稱高碳鉻軸承鋼，是特殊鋼著名的代表鋼種之一，在國內外是公認衡量企業(yè)技術和產品質量的重要標志。其含碳質量分數為1%左右，鉻質量分數為1.5%左右。由于軸承鋼的工作環(huán)境惡劣，承受極大的壓力和摩擦力，所以要求軸承鋼有較高的均勻性、硬度和耐磨性，以及較高的彈性極限，也因此對軸承鋼的化學成分均勻性、非金屬夾雜物的含量和分布以及碳化物分布等都提出十分嚴格的要求，是所有鋼鐵產品中對各項指標要求最嚴格的鋼種之一，也是在加工、使用中出現質量問題比較多、分析難度比較大的鋼種。

1. 缺陷描述

用戶采購?65 mm規(guī)格的GCr15軸承鋼，采用穿管工藝生產套圈。生產軸承套圈工藝流程為：下料—加熱（1100 ℃）—穿管—矯直—熱處理—粗加工—精加工。在加熱、穿管及矯直過程中均未見異常。當在精加工過程發(fā)現有部分套圈出現開裂缺陷，圖1為套圈斷裂后的全貌及剖面圖。觀察套圈斷口：平齊，無細小裂紋。除斷口外，套圈其余部分表面未見任何缺陷。

2. 缺陷分析與討論

2.1 化學成分分析

用戶的斷裂套圈所涉及的爐號為18C2560，將該爐的出廠檢驗結果與本次檢驗結果作對比。對GCr15缺陷試樣進行了光譜及氣體含量分析，表1中列出標準要求、原料出廠時檢驗的冶煉成分及用戶斷裂的套圈實測成分，通過成分對比發(fā)現，斷裂鋼材成分接近出廠檢驗值，滿足異議判定真實性的要求。各成分符合GB/T18254—2016標準要求，鋼水P、S控制較好，氧、氫氣體含量較低，脫氧充分，另外殘余元素Cu、Ni、Mo及有害元素含量也較低，該鋼純凈度較好，因此可以排除鋼材因成分不合產生斷裂的可能性。

2.2 非金屬夾雜物

從用戶斷裂套圈斷口上取試樣，進行非金屬夾雜檢驗，檢驗結果如表2，根據表中結果可以看出，無論原料出廠檢驗，還是從用戶斷裂套圈上取料檢驗的結果，均符合GB/T 18254—2016的標準。

該爐鋼18C2560經鋼包精煉（LF）和真空精煉（VD）處理，非金屬夾雜物級別較低，從成分分析也可以看出氧、硫等控制均較好，鋼質的純凈度控制在較高水平。據相關文獻介紹，若非金屬夾雜物含量過高，尤其當B粗和D粗夾雜物含量較高時，容易從非金屬夾雜物處產生微裂紋，并互相交叉連接以致擴展，在后續(xù)熱處理時將導致嚴重開裂[1−5]。從檢驗結果來看，排除了因為非金屬夾雜物超標造成套圈加工后斷裂的可能性。

2.3 顯微組織

經對出廠鋼材檢驗結果進行調取，原始鋼材的組織為珠光體+碳化物，軋后帶狀組織1.0級，網狀碳化物級別1.0級，原始鋼材碳化物檢驗滿足標準，也無影響用戶使用的異常金相組織。

取用戶斷裂套圈斷口上的試樣進行顯微組織檢驗，如圖2所示?？梢钥闯觯涸嚇釉跀嗔烟兹嗫谔幐浇盎w部位，全部為回火馬氏體+少量碳化物組織，為正常的熱處理后的組織。

斷口附近邊緣未見明顯脫碳，組織細小均勻，無過熱傾向，可見原材及用戶加熱、穿管過程均不存在造成裂紋的可能性。因此異常組織及脫碳層超標導致套圈斷裂的可能性可予以排除。

2.4 裂紋斷裂面掃描電鏡觀察

把用戶斷裂套圈斷口進行無水切割后，經超聲波清洗后，在掃描電鏡下觀察斷裂面形貌。如圖3所示，套圈斷裂面上有明顯的放射狀條紋，裂紋起源于套圈的內弧面，此處為淬火及機加應力集中部位。瞬斷開始區(qū)域斷口平直，呈灰色瓷狀脆性斷口。在瞬斷區(qū)與撕裂區(qū)交界處，可見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，在應力作用下進一步加深[6]。

對斷口電鏡分析未發(fā)現夾雜等缺陷。斷口裂紋開始部位的機械加工相對于其他部位比較粗糙，開裂起始區(qū)域斷口存在一定程度的疲勞磨損。

對試樣2裂紋起始處、裂紋根部、中間位置隨機選取四點進行能譜分析，結果表明，裂紋處除鋼中正常的基體元素外，并無明顯的非金屬夾雜物存在，排除因個別大尺寸夾雜物導致開裂的可能性。

3. 缺陷產生原因分析及解決措施

3.1 缺陷產生原因分析

原始鋼材及斷裂套圈化學成分、非金屬夾雜物均滿足標準要求，顯微組織正常，斷口電鏡分析未發(fā)現夾雜缺陷，因此套圈出現開裂缺陷并不是鋼材本身原因造成的。

斷裂套圈顯微組織為回火馬氏體組織，斷口部位未見明顯脫碳，排除原材及用戶加熱穿管因素所致。斷裂套圈內壁斷口裂紋開始部位的機械加工相對于其他部位比較粗糙，分析認為套圈加工過程中存在某種工藝或操作缺陷，使套圈磨損受力不均，造成局部磨損較其他部位嚴重，在該部位產生應力集中甚至過熱。裂紋起源于套圈的內弧面，在瞬斷區(qū)與撕裂區(qū)交界處，可見短的徑向裂紋與套圈內表面粗車刀痕相連。以上結果分析認為套圈裂紋的產生是用戶淬火過程產生的應力與不合理的機加工藝疊加所致。

3.2 解決措施

根據以上分析的情況，可以從用戶的機加工及熱處理工藝入手。

（1）提高車削加工質量，嚴格控制車削進刀量及夾緊力，不允許表面有過深的車削痕跡及過大的車削應力[7]。

（2）熱處理的加熱及冷卻過程中，套圈表面與內部熱脹冷縮不均及組織轉變不同時均會產生較大的熱應力和組織應力。薄壁軸承套圈由于自身剛度差，熱處理時因為應力的存在易導致裂紋加速擴展。因此必須制定合適的熱處理工藝，控制熱應力和組織應力。

（3）內壁開裂往往與原始鋼材芯部孔隙性缺陷也存在一定關聯，若存在縮孔以及嚴重的中心疏松，在穿管及后續(xù)熱處理過程中可導致開裂。雖然本文分析未出現此情況，但從提升實物質量角度，也要加強低倍質量控制。

經以上措施的實施并輔以用戶的工藝改進，該用戶在以后的生產中未再出現批量斷裂缺陷。

4. 結論

（1）軸承鋼套圈斷裂缺陷的產生與材質本身無關。

（2）不合理的機加方式及內應力的存在是造成開裂的誘發(fā)原因，通過調整機加工及熱處理工藝，可以有效避免斷裂缺陷的產生。

文章來源——金屬世界