供稿|楊成鑫

內容 導 讀

窯車車輪裝配的軸承材質為Cr14Mo4V模具鋼，是一種含鉬的高速鋼，也是一種應用廣泛的高溫軸承鋼，除具一般軸承的特性外，還具有較高的高溫尺寸穩(wěn)定性、高溫硬度、高溫接觸疲勞性能[1]，可長期在315 °C及以下的溫度使用。德化某陶瓷燒制工廠，其素燒窯爐在燒制時，傳送陶瓷制品的窯車車輪上的軸承經常在工作一段時間(約半年)后，外圈發(fā)生開裂，軸承因此發(fā)生卡死現(xiàn)象，不利于陶瓷坯體的輸送，從而延長生產周期、降低生產效率，嚴重時還會影響陶瓷坯體的燒制質量。本篇通過大量實驗數(shù)據分析，發(fā)現(xiàn)軸承外圈的冶金質量并沒有問題，引起開裂是由于抗熱疲勞性能不足造成的。通過改進熱處理工藝，提高其抗熱疲勞性能，可以避免過早開裂，從而保證窯車軸承長期穩(wěn)定使用。

中國瓷都德化以燒制白瓷聞名世界，其白瓷燒制溫度高達1300 °C，具有白度好、光澤度高、熱穩(wěn)定性強、機械強度大、耐溫、耐壓、耐磨、耐腐蝕、釉色純凈溫潤、致密度高、透光度好等理化特色，要獲得如此高性能的白瓷，需要嚴格把控各個燒制流程。某工廠在燒制時，出現(xiàn)窯車軸承外圈斷裂現(xiàn)象，為避免此類現(xiàn)象發(fā)生，對開裂軸承進行研究分析并制定一套有效的熱處理工藝，以保證軸承的正常使用。

化學成分

Cr14Mo4V模具鋼化學成分如表1。

表1 Cr14Mo4V高溫軸承鋼的化學成分(質量分數(shù)) %

開裂原因分析

外觀分析

如圖1，從截取的外圈裂紋形貌可以看出：裂紋要么貫穿整個外圈(圖1中位置1)，要么由外表面向內延伸(圖1中位置3和4)，或在臨近外表面的地方向內外延伸(圖1中位置2)。由于裂紋是在窯爐中加熱時發(fā)生開裂，且窯車出爐后對軸承進行清理時并無發(fā)現(xiàn)結焦積碳現(xiàn)象(即高溫潤滑油符合使用要求)，也未發(fā)生明顯的變形，由此可以判斷這種斷裂屬于疲勞斷裂，而造成斷裂的主因要么是材質不合格，導致抵抗能力不足引起，要么是材質合格，但所受應力過大引起。這需要做進一步分析。

圖1 外圈裂紋形貌

化學成分分析

在3個軸承外圈靠近缺口的部位分別取樣，并放在直讀光譜儀上進行化學成分分析，結果如表2。

由表2和表1數(shù)據進行比對可知，3個位置的化學成分均在規(guī)定范圍內，所以基本可排除材質不合格導致軸承外圈開裂的可能。

表2 軸承外圈靠近裂紋部位化學成分檢驗結果(質量分數(shù)) %

材質合格，軸承外圈開裂是所受應力過大引起，這分3種情況：一種是軸承熱處理工藝不達標造成軸承外圈疲勞強度不足而開裂；一種是軸承熱處理工藝達標，但載重超過疲勞強度而引起開裂；最后一種，窯車通過電動牽引進入素燒窯爐中(爐溫690～1020 °C)燒烤4 h[2]，這種長時間的加熱，窯車車輪和軸承會受到熱輻射以及熱傳導，軸承溫度升高，即使作為高溫軸承的Cr4Mo4V鋼，如果溫度升高至300～500 °C，其沖擊韌性和彎曲強度都會逐漸降低[3]，而這將會造成抗熱疲勞性能下降，在溫度升高的情況下外圈發(fā)生熱膨脹使其配合變松，更容易發(fā)生疲勞斷裂。這里的熱疲勞是指金屬零件在高溫下工作時，其環(huán)境溫度并不恒定，甚至有時是急劇反復變化的，由此造成的膨脹和收縮若受到約束時，在零件內部就會產生熱應力(又稱溫差應力)，溫度反復變化，熱應力也隨著反復變化，從而使材料受到疲勞損傷的現(xiàn)象。以下逐一分析。

硬度分析

材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度。隨機選取3個已經形成裂紋的軸承外圈進行HRC洛氏硬度檢測，每個試樣選擇靠近裂紋位置測量3個部位，結果見表3。

由表3的檢驗結果分析可知，軸承外圈的硬度達標即熱處理硬度達標，除了硬度之外的其他力學性能是否達到要求，需分析金相。

表3 軸承外圈熱處理后的硬度及標準，HRC

金相分析

通過顯微鏡看到的金屬材料內部結構即為金相。從圖2可以看出，軸承外圈經過熱處理后的組織晶粒度大致為7～8級，屬于細晶粒，顯微組織相對來說碳化物較粗，其它回火組織較細，綜合來看顯微組織良好，加之硬度達標，因此軸承外圈的熱處理工藝是達標的。

圖2 軸承外圈淬火回火后的組織(500倍)

殘余應力分析

工件在制造過程中，受到來自各種工藝等因素的作用與影響，當這些因素消失之后，若構件所受到的上述作用與影響不能隨之完全消失，仍有部分作用與影響殘留在構件內，則這種殘留的作用與影響稱為殘余應力，亦稱內應力。隨機選取開裂的軸承外圈安置在應力分析儀上，對臨近裂紋區(qū)域和其它正常區(qū)域進行殘余應力檢測，臨近裂紋區(qū)和正常區(qū)的殘余應力分別為1014和598 MPa，則軸承外圈在垂直于外表面的方向上存在明顯的載荷偏載現(xiàn)象，在測算窯車并無過載的情況下，可以進一步判斷軸承外圈斷裂主要是在進入窯爐加熱之后，其抗熱疲勞性能降低造成的。另外，由于軸承內圈、滾珠及外圈內表面受滾珠的滾壓，其疲勞性能比較好，不容易開裂；而靠近外圈外表面固定后沒有滾壓強化，疲勞性能較差，較容易開裂，這也解釋了軸承外圈裂紋為何由外表面開始擴展。為此提出幾種改良方案。

改良方案

窯車減重

在其它條件沒有變化的情況下，對放置在窯車上的陶瓷坯體數(shù)量進行減量，按照1/10依次減量來逐一查驗軸承外圈的殘余應力(圖3)，隨著窯車載重的下降，窯車軸承外圈的殘余應力有所下降，當窯車載重減少2/5后，軸承外圈的殘余應力基本不變。因此，為使軸承使用壽命最大化至少要減重2/5，但卻降低生產效率，延長生產周期，所以此方案不經濟，只做參考。

圖3 窯車載重減量與軸承外圈殘余應力的關系

熱處理工藝改良

上文分析軸承外圈開裂最大的可能是在窯爐內受熱之后導致抗熱疲勞性能下降引起的，在保證其他力學性能符合要求的情況下，通過改變熱處理工藝達到提高抗熱疲勞性能，具體改良方案如下。

等溫球化退火

采用等溫球化退火(圖4)可以促進鋼中的碳化物顆?；沟媒M織更均勻。另外，890±5 °C的加熱溫度更有利于形成更細的碳化物，提高軸承的力學性能，為后續(xù)熱處理做好組織準備。

圖4 Cr14Mo4V軸承等溫球化退火工藝曲線

淬火

對于Cr質量分數(shù)高于5%的鉻鋼，在保證足夠強度的前提下，指定熱處理工藝時應充分考慮其塑韌性，以獲得較高的抗熱疲勞性能[4]。為了讓Cr14Mo4V軸承獲得較好的塑韌性，首先要讓碳化物在淬火時盡可能地融入奧氏體中，這樣最后形成的碳化物量較少、顆粒較細，有助于提高軸承的韌性，要達到這一步就要升高Cr14Mo4V軸承的淬火加熱溫度，但由圖5可知淬火加熱溫度提高也會造成殘余奧氏體量的增加和組織晶粒變粗，綜合考慮到殘余奧氏體可由后期的回火進行消除，還有組織晶粒在1100 °C之后呈現(xiàn)較快的長大趨勢，淬火加熱溫度應選擇在1100～1150 °C之間。

圖5 淬火加熱溫度與殘余奧氏體量、碳化物含量及晶粒度的關系

此外，經過多次實驗證明：淬火加熱溫度為1120 °C時出現(xiàn)硬度峰值，且獲得組織為細針狀馬氏體，所以選擇1120 °C作為淬火加熱溫度。

回火

回火作為軸承熱處理的最后一道熱處理工藝，具有很重要的意義。首先，在滿足獲得高強度的前提下降低軸承的殘余應力；其次，為了提高軸承的抗熱疲勞性能，最后形成的組織應該含有體積分數(shù)接近15%的殘余奧氏體，因此需要控制好回火溫度和保溫時間，它們的關系如圖6。

從圖6分析可知，想要讓殘余奧氏體體積分數(shù)降至15%左右，軸承回火溫度必須先加熱至520 °C左右保溫大致0.5 h再出爐空冷。另外，為了更徹底地消除淬火應力，可在520 °C回火后進行一次較低溫度的回火，回火溫度可設定為450 °C保溫1 h。

圖6 殘余奧氏體體積分數(shù)與回火溫度及保溫時間的關系

綜上所述，Cr14Mo4V軸承淬火和回火工藝操作如圖7所示，最后獲得的殘余奧氏體體積分數(shù)大致13%～17%，符合軸承的要求。

圖7 Cr14Mo4V軸承淬火和回火工藝曲線

結語

(1)金屬零件在高溫條件下工作時，其環(huán)境溫度并不恒定，甚至有時是急劇反復變化的，由此造成的膨脹和收縮若受到約束時，在零件內部就會產生熱應力(又稱溫差應力)，溫度反復變化，熱應力也隨著反復變化，從而使材料受到疲勞損傷，即所謂熱疲勞。

(2)造成Cr14Mo4V軸承外圈斷裂的主因是窯車進入窯爐加熱時抗熱疲勞性能變差所致，這主要是由于環(huán)境溫度梯度及變化頻率變大，且軸承本身塑性較差造成的。

(3)通過降低窯車載重來保證軸承不發(fā)生開裂的方法不經濟。

(4)改良后的熱處理方案可以提高軸承的殘余奧氏體體積分數(shù)至15%左右，提高其塑韌性以提高抗熱疲勞性能，殘余奧氏體形成的殘余壓應力有助于延長疲勞壽命[5]；

(5)熱處理改良后的Cr14Mo4V軸承使用壽命都達1 a以上，暫未發(fā)現(xiàn)開裂情況，改良方案得到廠方認可。