軸(zhou)承套圈的常見缺陷及(ji)預防措施

軸承套圈每個生產工序均會對其質量產生影響。軸承失效分析中，套圈的材料孔洞缺陷、鍛造缺陷、熱處理質量、磨削燒傷、環境腐蝕是導致軸承失效的主要原因，因此必須重視套圈的生產質量，減少軸承因套圈質量問題而導致的早期失效，最終實現提高軸承壽命的目的。

對廢品分析軸承套圈產生缺陷的原因進行統計發現：材料因素是影響套圈質量的主要因素，包括材料內部冶金缺陷，如夾雜物、夾渣、顯微孔隙，套圈因材料外部缺陷未完全清除的殘留，如脫碳、微裂紋、表面缺陷等；其次為熱(re)處(chu)理工藝，包括熱處理質量不合格（組織粗大，屈氏體不符合標準要求，粗大網狀碳化物）和淬火應力裂紋；另外，磨削質量也是影響套圈質量的主要因素之一，主要為磨削燒傷引起表層組織改變，嚴重時產生磨削裂紋；管理因素(人為原因)主要是指套圈生產過程中操作不當引起的機械傷（劃傷、墊傷）以及環境腐蝕（酸腐蝕和氧化腐蝕），提高操作人員的責任意識及業務水平可以預防此類缺陷的產生。

套(tao)圈存(cun)在肉眼可見的夾雜物(wu)即(ji)夾渣(zha)(zha)（主要成(cheng)分為(wei)爐渣(zha)(zha)或耐火材料）時，易成(cheng)為(wei)裂紋(wen)源，使套(tao)圈過早損壞甚(shen)至報廢(fei)。外(wai)(wai)圈外(wai)(wai)徑面的夾渣(zha)(zha)缺陷(xian)如圖2所示。

(a) 外徑面缺陷形貌

（b）缺陷電鏡形貌

圖2 外圈外徑面夾(jia)渣(zha)缺陷

顯(xian)微孔隙(xi)(xi)又稱(cheng)顯(xian)微裂紋，金(jin)相(xiang)觀察(cha)其沿晶界分布并沿軋制方(fang)向伸展。產(chan)生原因主要有材料中心疏(shu)松或加(jia)熱溫度(du)過高，鋼(gang)坯心部的低(di)熔點合金(jin)相(xiang)熔融。若(ruo)套圈(quan)中存在顯(xian)微孔隙(xi)(xi)，會極大(da)降低(di)晶粒間的結合力，影響套圈(quan)的力學(xue)性能(neng)；嚴(yan)重的顯(xian)微孔隙(xi)(xi)淬(cui)火(huo)時容易產(chan)生裂紋，若(ruo)暴露至(zhi)軸(zhou)承(cheng)零件表面則易產(chan)生黑點，降低(di)防銹性能(neng)甚至(zhi)導致軸(zhou)承(cheng)產(chan)生疲(pi)勞剝落。外圈(quan)顯(xian)微孔隙(xi)(xi)金(jin)相(xiang)圖(tu)如圖(tu)3所示。

圖3 外圈顯微(wei)孔隙金相(xiang)形貌

發紋是一種存在于鋼材表皮下層的細小裂紋缺陷。產生原因為鋼錠中的皮下氣泡或非金屬夾雜物經軋制變形后，存在于材料表層且沿軋制方向斷續分布，數量不等。若套圈存在發紋缺陷，易產生剝落掉塊。

1.1.2 外部缺陷

外部缺陷主要有材料裂紋、脫碳、凹坑等。

材料(liao)裂紋存(cun)在(zai)(zai)于(yu)棒材表層(ceng)一(yi)定(ding)(ding)深度下，折疊裂紋的(de)特征是(shi)與表面(mian)呈一(yi)定(ding)(ding)角度，裂紋中(zhong)一(yi)般有氧化皮存(cun)在(zai)(zai)，裂紋兩側(ce)有脫碳現象。若(ruo)材料(liao)裂紋在(zai)(zai)套(tao)圈(quan)中(zhong)殘留(liu)必定(ding)(ding)引起質量(liang)問題。在(zai)(zai)套(tao)圈(quan)車(che)(che)削(xue)成(cheng)形過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)，若(ruo)材料(liao)裂紋缺陷(xian)沒有完(wan)全車(che)(che)除，便會在(zai)(zai)套(tao)圈(quan)上殘留(liu)，最終造成(cheng)后續加工或裝配或使用過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)開裂。內(nei)圈(quan)外徑面(mian)鋼(gang)管(guan)裂紋殘留(liu)如圖4所示。

圖4 車削成(cheng)形后內圈(quan)外徑面(mian)鋼管(guan)裂紋殘(can)留

材料(liao)表(biao)(biao)面(mian)脫(tuo)(tuo)(tuo)碳(tan)，若(ruo)(ruo)是(shi)鋼管，主要(yao)產生在外(wai)圈(quan)(quan)外(wai)徑面(mian)及(ji)滾道面(mian)擋邊處(chu)和內圈(quan)(quan)內、外(wai)徑面(mian)，分別(bie)對應(ying)鋼管的(de)外(wai)徑面(mian)和內徑面(mian)；若(ruo)(ruo)是(shi)棒(bang)材，材料(liao)表(biao)(biao)面(mian)脫(tuo)(tuo)(tuo)碳(tan)指鋼材外(wai)表(biao)(biao)面(mian)。脫(tuo)(tuo)(tuo)碳(tan)對套圈(quan)(quan)質量的(de)影響與裂(lie)紋相似，一方面(mian)套圈(quan)(quan)淬火時易(yi)產生淬火應(ying)力裂(lie)紋；另一方面(mian)，脫(tuo)(tuo)(tuo)碳(tan)區拉應(ying)力較大，受(shou)外(wai)力作用易(yi)開裂(lie)，因此，GB/T 1255—2014對軸(zhou)承套圈(quan)(quan)表(biao)(biao)面(mian)脫(tuo)(tuo)(tuo)碳(tan)層深度進行了(le)嚴格的(de)控制。外(wai)圈(quan)(quan)外(wai)徑面(mian)殘留鋼管原始脫(tuo)(tuo)(tuo)碳(tan)層如(ru)圖(tu)5所示(shi)。

圖5 外圈外徑面(mian)殘(can)留鋼管原始(shi)脫碳(tan)層

材料表面缺陷，如較深的銹蝕坑、壓痕等，若車削成形時不能完全去除，亦會在套圈表面殘留，影響其加工質量。

1.2 加工成形缺陷

套圈制造(zao)方式不同，其(qi)成形(xing)工藝不同。僅(jin)對工作中遇到(dao)的(de)套圈成形(xing)缺陷問題(ti)進行分(fen)析。

1.2.1 鍛造工藝

鍛造是軸承套圈常見的加工工藝。鍛造可以細化晶粒，改善網狀碳化物，從而提高套圈性能。然而，若鍛造工藝不當會產生鍛造缺陷，影響套圈質量。如G95Cr18不銹軸承鋼，鍛造溫度過高易產生孿晶組織，這是標準JB/T 1460—2011嚴格控制的。常見的鍛造缺陷主要有鍛造組織過熱、過燒和鍛造折疊裂紋。

鍛造過熱組織(zhi)會沿晶界析出粗大而封(feng)閉(bi)的網(wang)狀碳化物，嚴(yan)重的網(wang)狀碳化物會破(po)壞材料的連續性，使(shi)鋼的力學性能(neng)(neng)降低(di)，特(te)別是(shi)沖擊韌性，而且其在退火中保持不變，只能(neng)(neng)通(tong)過正火才能(neng)(neng)消除。

過燒組(zu)織晶粒粗大，晶界局部氧(yang)化或熔融，主要原因(yin)是加熱溫度過高或保(bao)溫時間(jian)過長等(deng)。GCr15軸承(cheng)鋼鍛造(zao)過燒產生的熔融孔洞(dong)形貌如(ru)圖6所示。

圖6  鍛造過(guo)燒熔融孔洞形貌(mao)（×200）

鍛(duan)造折疊裂(lie)紋是由于切(qie)料不齊、毛刺(ci)或操作不當等在套圈(quan)表(biao)面(mian)形成，其特(te)征是裂(lie)紋一般與(yu)表(biao)面(mian)呈一定角度，裂(lie)紋兩側(ce)有嚴重的脫碳層。粗磨外圈(quan)折疊裂(lie)紋形貌如圖7所示。

圖7 外圈鍛(duan)造折疊裂紋形(xing)貌

1.2.2 車削工藝

車削是軸承套圈成形的主要缺陷：一方面是不能完全清除材料表面缺陷，使套圈表面殘留，進而影響套圈質量；另一方面是較深切尖銳的車刀紋極易產生應力集中甚至燒傷，在淬火時產生淬火應力開裂，裝配時產生斷裂。其主要產生于套圈油溝及滾道面擋邊處。外圈滾道擋邊的裂紋缺陷如圖8所示，原因是擋邊存在車削燒傷。

圖8 外圈滾道面擋(dang)邊(bian)車削(xue)缺(que)陷（×500）

1.2.3 冷(leng)輾及(ji)串光工(gong)藝(yi)

冷(leng)輾(zhan)(zhan)(zhan)成形(xing)(xing)也是軸承套(tao)圈(quan)常(chang)見(jian)的成形(xing)(xing)方式，冷(leng)輾(zhan)(zhan)(zhan)工藝不當造成的套(tao)圈(quan)質量(liang)缺陷主要為冷(leng)輾(zhan)(zhan)(zhan)裂(lie)紋(wen)。冷(leng)輾(zhan)(zhan)(zhan)屬于(yu)冷(leng)加工，材(cai)料延展性有限，若輾(zhan)(zhan)(zhan)擴較(jiao)大，易產生冷(leng)輾(zhan)(zhan)(zhan)裂(lie)紋(wen)，另外，GCr15軸承鋼由于(yu)存(cun)在碳(tan)化(hua)物(wu)帶(dai)（碳(tan)化(hua)物(wu)偏析聚集），此處組織硬且脆，在變形(xing)(xing)過(guo)程中易拉(la)裂(lie)。沿(yan)碳(tan)化(hua)物(wu)帶(dai)分布的冷(leng)輾(zhan)(zhan)(zhan)裂(lie)紋(wen)缺陷形(xing)(xing)貌如圖(tu)9所(suo)示。

圖9 沿(yan)碳化物帶分布的冷輾(zhan)裂紋形(xing)貌

串光是改變(bian)套(tao)圈表面(mian)粗糙度(du)的(de)一種方法，其(qi)工藝不當易造成薄(bo)壁套(tao)圈產(chan)生磕碰(peng)傷甚至掉塊，如圖10所示。

圖10 串光工藝(yi)不當所致的擋邊掉塊(kuai)

1.3 熱處理缺陷

熱處理（主要指淬、回火工藝）是實現軸承套圈高強韌性的重要工藝，對套圈質量的影響較大。統計數據表明，熱處理質量缺陷約占套圈廢品的22.55%。常見的熱處理質量缺陷主要有脫碳、淬火應力裂紋、組織過熱及屈氏體不合格。

熱處理脫(tuo)(tuo)(tuo)碳(tan)(tan)(tan)是(shi)指套(tao)(tao)圈淬回火(huo)過程中表(biao)層(ceng)碳(tan)(tan)(tan)含量低于正常含量，可分(fen)為完全脫(tuo)(tuo)(tuo)碳(tan)(tan)(tan)和(he)(he)脫(tuo)(tuo)(tuo)貧(pin)碳(tan)(tan)(tan)。完全脫(tuo)(tuo)(tuo)碳(tan)(tan)(tan)時套(tao)(tao)圈表(biao)層(ceng)為鐵素體(ti)組(zu)織，金相下呈白色；脫(tuo)(tuo)(tuo)貧(pin)碳(tan)(tan)(tan)時該區域馬(ma)氏體(ti)針(zhen)相對(dui)基(ji)體(ti)較粗大，但均為馬(ma)氏體(ti)組(zu)織。隨(sui)著熱處理設備的改(gai)進，套(tao)(tao)圈淬回火(huo)時主要(yao)產(chan)生(sheng)脫(tuo)(tuo)(tuo)貧(pin)碳(tan)(tan)(tan)現象(xiang)，會極大降低套(tao)(tao)圈表(biao)層(ceng)的耐磨性和(he)(he)耐疲勞性能，局部產(chan)生(sheng)拉應力(li)，是(shi)微裂紋源(yuan)區。

嚴(yan)重的熱處(chu)理脫碳會產生淬(cui)火(huo)應力(li)裂紋(wen)，其特征是(shi)形狀不規(gui)則(ze)，深淺不一，裂紋(wen)開口處(chu)多存在油(you)污，金相觀察裂紋(wen)兩側(ce)無脫碳現(xian)象。

套圈組(zu)織過熱(re)主要(yao)因加熱(re)溫度過高或(huo)保溫時間過長而產生粗大的馬氏體針。

屈(qu)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)不(bu)符(fu)合標準(zhun)要求主(zhu)要是(shi)指加熱(re)不(bu)足引起(qi)塊狀屈(qu)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)或冷(leng)卻不(bu)良形成(cheng)針狀屈(qu)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)，宏(hong)觀表(biao)現為局(ju)部軟點即硬度不(bu)合格。外(wai)圈(quan)表(biao)面嚴重熱(re)處理(li)脫(tuo)碳(tan)組織形貌如(ru)圖(tu)11所(suo)示，其在裝配時(shi)開裂。

圖11 外(wai)圈(quan)熱處(chu)理(li)脫碳組織(zhi)形貌

1.4 磨削(xue)缺陷

磨削是軸承加工過程的關鍵工序，是實現套圈精度尺寸要求的重要加工工藝。根據統計結果，磨削質量缺陷主要指磨削燒傷、磨削裂紋及其他磨削缺陷。磨削燒傷指表層組織燒傷（高溫回火），降低表面耐磨性；磨削裂紋導致套圈開裂，整批報廢，經濟和時間損失巨大。

軸承套圈磨削燒傷常見于滾道面、內外徑面以及端面，其特征是內外徑面及滾道面呈振紋狀或斑塊狀，端面燒傷多呈斑塊狀。磨削燒傷冷酸洗后呈灰黑色，金相觀察組織呈暗黑色。磨削燒傷冷酸洗組織形貌如圖12所示。

圖12  套圈磨削燒傷冷酸洗組(zu)織形貌

磨削裂紋多為(wei)龜裂狀，深度(du)較淺，金相觀察裂紋兩側(ce)無脫碳現象(xiang)。磨(mo)削(xue)(xue)裂(lie)紋常伴有(you)嚴重的磨(mo)削(xue)(xue)燒傷，但磨(mo)削(xue)(xue)燒傷不一定產生磨(mo)削(xue)(xue)裂(lie)紋。套圈磨(mo)削(xue)(xue)過程中(zhong)，其表(biao)層(ceng)應力狀態較復雜，磨(mo)削(xue)(xue)裂(lie)紋的產生是綜合(he)應力的結果，因此分析其產生原因時(shi)需綜合(he)考慮，尤其是磨(mo)削(xue)(xue)前(qian)各工序的加工質量(liang)(liang)，如車削(xue)(xue)質量(liang)(liang)、熱處理變形等。外(wai)圈內徑面熱酸洗磨(mo)削(xue)(xue)裂(lie)紋形貌如圖(tu)13所示(shi)。

1.5 裝配質(zhi)量(liang)缺陷

圖(tu)13 外圈內徑面(mian)熱(re)酸(suan)洗磨(mo)削裂紋形貌

裝配質量缺陷包括人為因素導致的磕碰傷或擠壓傷，裝配工藝不當導致套圈局部受力較大，產生變形甚至斷裂，套圈保管或操作不規范會引起腐蝕及異物污染等。除裝配工藝不當外，裝配質量缺陷多為人為因素，而這是可以避免的。裝配過程中外圈局部掉塊如圖14所示。

圖14 裝配過程中外圈(quan)局部(bu)掉塊形貌

1.6 管(guan)理因素

管理因素主要指套圈各加工工序過程中由于人為因素引起的套圈機械傷（擠壓傷、磕碰傷、劃傷）以及腐蝕現象（酸蝕和銹蝕），其中以套圈腐蝕最為常見，占套圈廢品比例約為10%。腐蝕現象在套圈滾道面最為常見，其特征呈單一或者簇狀點狀缺陷(偶爾呈線狀)，嚴重時呈凹坑狀；另外，軸承各個加工工序過程均有可能產生腐蝕現象。腐蝕現象雖受環境影響較大，但若操作規范完全可以避免。外圈滾道面點狀腐蝕缺陷形貌如圖15所示。

圖(tu)15 外圈溝道面(mian)點狀腐蝕缺陷形貌(mao)