曹希新，鄒友民，婁經(jīng)松

(湖南長宏鍋爐科技股份有限公司，湖南 衡陽 421007)

0 引言

圖1 分梳龍帶軸承心軸結構

首批試制50套該分梳龍帶軸承，用顯微鏡作常規(guī)檢查溝道時，發(fā)現(xiàn)有60%的心軸出現(xiàn)了嚴重裂紋，且裂紋集中出現(xiàn)在圖2中A、B位置。眾所周知，在影響軸承產(chǎn)品質量的各種因素中，心軸裂紋是軸承失效的重要原因之一，也是不可修復的致命缺陷[2]，導致該批心軸大部分報廢，不僅給企業(yè)造成直接經(jīng)濟損失，而且給企業(yè)生產(chǎn)管理及一線操作者帶來了很大壓力。通過對軸承制造過程中出現(xiàn)各種裂紋的形態(tài)進行分析，結合筆者長期從事特種軸承加工制造工藝和現(xiàn)場技術服務的工作經(jīng)驗，并查閱大量相關資料，總結出造成該心軸裂紋的原因，并結合生產(chǎn)實際針對性進行預防和整改，結果通過批量試驗，得到有效性確認。

圖2 分梳龍帶軸承裂紋位置示意

1 檢測分析

1.1 視覺查探

HQY3039E型分梳龍帶軸承心軸在超精加工完成后，發(fā)現(xiàn)心軸表面出現(xiàn)細微裂紋。借助顯微鏡觀察心軸表面裂紋走向，發(fā)現(xiàn)裂紋集中出現(xiàn)在心軸端面A處及心部B處。A處裂紋由心軸倒角處向心軸端面縱向發(fā)展，B處裂紋由心軸銑槽尖角處向心軸軸向及縱深發(fā)展；裂紋大小、深度、長短不一。將裂紋暴力破壞后，發(fā)現(xiàn)A處顏色較淺，判斷裂紋應該是淬火后出現(xiàn)的；而B處裂紋顏色深黑，判斷裂紋應該是淬火前或淬火過程中出現(xiàn)的。

1.2 化學成分及金相組織分析

HQY3039E型分梳龍帶軸承心軸用GCr15軸承鋼主要質量分數(shù)：C為1.020 0%，S為0.002 2%，Si為0.253 0%，P為0.009 0%，Cr為1.521 0%，Mn為0.327 0%，符合國家標準[3]。

觀察HQY3039E型分梳龍帶軸承心軸淬火試樣金相組織，發(fā)現(xiàn)淬火后心軸的顯微組織正常，評定為3級，符合機械行業(yè)標準的技術要求[4]。

1.3 硬度測試

測試心軸整體硬度為62 HRC～64 HRC，靠近裂紋處硬度為63 HRC，均符合心軸熱處理硬度為61 HRC～65 HRC的技術要求。

2 原因分析

裂紋是由于材料內部應力超過材料強度極限所致，主要為熱應力和組織應力[5]。熱應力是指工件在淬火加熱或冷卻過程中，因各部位受熱不勻，造成膨脹或收縮不均勻產(chǎn)生的內應力；組織應力是指工件淬火冷卻過程中由于各部位冷卻速度差異，導致鋼件中各組織發(fā)生相變的時間先后不同而產(chǎn)生內應力。當材料受到外部應力時，超過彈性極限產(chǎn)生塑性變形，超過材料的斷裂強度就會產(chǎn)生裂紋。

在實際生產(chǎn)中，常見的裂紋主要有原材料裂紋、零件毛坯車削刀花裂紋及加工尖角裂紋、淬火裂紋和磨削裂紋4種。

2.1 原材料裂紋

原材料裂紋主要是由于原材料存在嚴重缺陷所致，有兩種情況：① 鋼材在冷軋、冷拉過程中強度指標太低，內應力超過強度極限，發(fā)生了局部斷裂，內部出現(xiàn)細微裂紋，嚴重者肉眼即可看到；② 材料組織中有大塊或連續(xù)分布的非金屬夾雜物、嚴重的碳化物帶狀偏析等造成原材料組織嚴重不合格。

2.2 零件毛坯車削刀花裂紋及加工尖角裂紋

零件毛坯車削刀花裂紋及加工尖角裂紋是由于粗加工時，刀花處應力集中，特別是螺紋和深孔加工時會產(chǎn)生相互平行而不連續(xù)的細小表面裂紋；另外在車、銑加工各類溝槽時，由于尖角或倒角過小，溝槽處會出現(xiàn)較大應力集中問題，超過材料強度極限引起裂紋。熱處理時，由于尖角效應裂紋常從溝槽處開始產(chǎn)生。

2.3 淬火裂紋

淬火裂紋是由于在淬火過程中，應力過大，超過鋼的斷裂強度極限所致。主要原因有：① 熱處理工藝問題，由于淬火溫度過高或保溫時間過長導致組織過熱，使淬火后應力增大超過了原材料的斷裂強度極限而發(fā)生過熱裂紋，通常工件淬火后出爐掉地上即會斷裂；② 淬火后未及時回火(一般不超過1 h)，導致淬火應力未得到釋放；③ 工件厚薄不均勻，淬火時工件厚處未淬硬，致使淬硬層和未淬硬層交界處產(chǎn)生過大的組織應力；④ 淬火介質選擇不當，冷卻速度過快或者淬火介質不純，淬火油里混有大量水分超過標準；⑤ 工件結構設計不合理，如工件橫截面尺寸不均勻，含有易形成應力集中的尖角、棱角、溝槽或螺紋孔洞等；⑥ 工件二次淬火裂紋，因為經(jīng)過淬火后的工件一般都處于高應力狀態(tài)，組織內部的結構缺陷很多，應經(jīng)過高溫回火消除隱患；對于因過熱而需進行二次淬火的工件，操作工疏忽未按要求執(zhí)行二次淬火工藝，致使工件在更大的熱應力和組織應力的作用下產(chǎn)生二次淬火裂紋。

2.4 磨削裂紋

淬火后的工件在磨削加工過程中因磨削用砂輪粒度、硬度、磨削速度和進給量等工藝參數(shù)選用不當，產(chǎn)生大量磨削熱使工件表面溫度急劇升高，在工件表面造成“二次回火”；嚴重時，磨削熱甚至使工件表面達到淬火溫度，在磨削液的冷卻作用下，工件表面形成“二次淬火”，造成表面晶粒粗大，產(chǎn)生大量的組織應力和熱應力；工件內部的熱處理殘余內應力與磨削時產(chǎn)生的磨削應力疊加后超過材料斷裂強度極限，導致磨削表面出現(xiàn)磨削裂紋。該類裂紋特別容易出現(xiàn)在軸承心軸和外圈磨削溝道過程中，裂紋細而淺，一般可通過磨削燒傷試驗檢測。

3 預防和整改措施

在顯微鏡下觀察HQY3039E型分梳龍帶軸承心軸裂紋形態(tài)，依據(jù)軸承生產(chǎn)經(jīng)驗判斷：A處裂紋應為磨削裂紋，B處為淬火裂紋。針對這2種裂紋產(chǎn)生的原因，結合軸承加工制造過程，有針對性地采取以下預防和整改措施。

3.1 嚴格控制原材料、毛坯件的采購

對原材料和外購毛坯件按照國家標準[3]嚴格檢驗，重點檢查化學成分、硬度及金相組織，對于不符合標準的原材料和毛坯件堅決拒收。

3.2 熱處理工藝控制

提高熱處理操作工的責任心，嚴格按照淬火、回火工藝參數(shù)執(zhí)行；嚴格控制加熱速度、加熱溫度、加熱時間和冷卻速度，在確保淬火硬度的前提下，對形狀復雜、易淬裂的工件應采用淬火下限的加熱溫度，并適度降低加熱速度，甚至采用預熱措施；淬火后1 h內應及時回火并適當延長回火時間，使組織應力和熱應力得到完全釋放；嚴格控制淬火冷卻介質質量，防止淬火油內混水，定期更換或部分更換新的淬火油。

3.3 產(chǎn)品結構設計與加工余量優(yōu)化

設計時，除滿足該工件功能外，還要注意其工藝性能。優(yōu)化產(chǎn)品結構設計，盡量避免尖的倒角、凹角、溝槽和過于懸殊的壁厚差。將HQY3039E型分梳龍帶軸承心軸鍵槽根部加圓角過渡，并合理規(guī)劃磨削加工余量，在確保產(chǎn)品加工精度的基礎上盡可能減少加工余量。

3.4 提高粗加工質量

HQY3039E型分梳龍帶軸承心軸為貫通深孔，粗加工采用鉆頭鉆孔時，表面會產(chǎn)生螺紋狀不連續(xù)的細小裂紋，淬火時極易產(chǎn)生淬火裂紋。因此，鉆孔后需再鉸孔，以提高孔的加工質量。

3.5 增加消除應力退火

對于像HQY3039E型分梳龍帶軸承心軸這種形狀復雜、精度要求較高的零件，在提高車削加工質量的前提下，應在粗加工與精加工之間，淬火之前進行消除應力退火工藝。

3.6 磨削加工控制

磨削加工控制措施：① 根據(jù)設備和工件加工要求，選擇合理的磨削加工工藝參數(shù)，如砂輪磨料、粒度、硬度、磨削速度、進給量、冷卻液配方及冷卻方式；② 提高操作者的質量意識，嚴格按工藝要求磨削，嚴禁偷漏工序，本次A處裂紋應是操作工私自增加進給量，將粗、精磨兩道工序合并造成；③ 采用“減少每次進給磨削量，多次進刀”的方法，增加磨削冷卻液，有效降低工件表面的磨削熱和磨削應力，杜絕工件在磨削過程中產(chǎn)生二次淬火或二次回火問題，從而避免磨削裂紋的產(chǎn)生；④ 定時進行磨削燒傷檢查，特別是軸承溝道的磨燒傷試驗應每班次送檢，以杜絕磨削裂紋的產(chǎn)生。

4 結語

4.1 在軸承加工、生產(chǎn)過程中，工件裂紋主要集中出現(xiàn)在熱處理加工和磨削加工兩個環(huán)節(jié)；淬火裂紋和磨削裂紋造成試制HQY3039E型分梳龍帶軸承心軸批量報廢。

4.2 通過嚴格控制原材料與毛坯件采購、熱處理工藝，優(yōu)化產(chǎn)品結構設計與加工余量，提高粗加工質量，增加消除應力退火和磨削加工控制等措施后，軸承在制造過程中易產(chǎn)生裂紋的問題得到了很好的控制，且后續(xù)加工、生產(chǎn)的分梳龍帶軸承無裂紋再現(xiàn)，軸承裂紋預防和整改措施的有效性得到確認。