分梳龙带轴承空心轴裂纹原因及预防

曹希新，邹友民，娄经松

(湖南长宏锅炉科技股份有限公司，湖南 衡阳 421007)

0 引言

图1 分梳龙带轴承心轴结构

首批试制50套该分梳龙带轴承，用显微镜作常规检查沟道时，发现有60%的心轴出现了严重裂纹，且裂纹集中出现在图2中A、B位置。众所周知，在影响轴承产品质量的各种因素中，心轴裂纹是轴承失效的重要原因之一，也是不可修复的致命缺陷[2]，导致该批心轴大部分报废，不仅给企业造成直接经济损失，而且给企业生产管理及一线操作者带来了很大压力。通过对轴承制造过程中出现各种裂纹的形态进行分析，结合笔者长期从事特种轴承加工制造工艺和现场技术服务的工作经验，并查阅大量相关资料，总结出造成该心轴裂纹的原因，并结合生产实际针对性进行预防和整改，结果通过批量试验，得到有效性确认。

图2 分梳龙带轴承裂纹位置示意

1 检测分析

1.1 视觉查探

HQY3039E型分梳龙带轴承心轴在超精加工完成后，发现心轴表面出现细微裂纹。借助显微镜观察心轴表面裂纹走向，发现裂纹集中出现在心轴端面A处及心部B处。A处裂纹由心轴倒角处向心轴端面纵向发展，B处裂纹由心轴铣槽尖角处向心轴轴向及纵深发展；裂纹大小、深度、长短不一。将裂纹暴力破坏后，发现A处颜色较浅，判断裂纹应该是淬火后出现的；而B处裂纹颜色深黑，判断裂纹应该是淬火前或淬火过程中出现的。

1.2 化学成分及金相组织分析

HQY3039E型分梳龙带轴承心轴用GCr15轴承钢主要质量分数：C为1.020 0%，S为0.002 2%，Si为0.253 0%，P为0.009 0%，Cr为1.521 0%，Mn为0.327 0%，符合国家标准[3]。

观察HQY3039E型分梳龙带轴承心轴淬火试样金相组织，发现淬火后心轴的显微组织正常，评定为3级，符合机械行业标准的技术要求[4]。

1.3 硬度测试

测试心轴整体硬度为62 HRC～64 HRC，靠近裂纹处硬度为63 HRC，均符合心轴热处理硬度为61 HRC～65 HRC的技术要求。

2 原因分析

裂纹是由于材料内部应力超过材料强度极限所致，主要为热应力和组织应力[5]。热应力是指工件在淬火加热或冷却过程中，因各部位受热不匀，造成膨胀或收缩不均匀产生的内应力；组织应力是指工件淬火冷却过程中由于各部位冷却速度差异，导致钢件中各组织发生相变的时间先后不同而产生内应力。当材料受到外部应力时，超过弹性极限产生塑性变形，超过材料的断裂强度就会产生裂纹。

在实际生产中，常见的裂纹主要有原材料裂纹、零件毛坯车削刀花裂纹及加工尖角裂纹、淬火裂纹和磨削裂纹4种。

2.1 原材料裂纹

原材料裂纹主要是由于原材料存在严重缺陷所致，有两种情况：① 钢材在冷轧、冷拉过程中强度指标太低，内应力超过强度极限，发生了局部断裂，内部出现细微裂纹，严重者肉眼即可看到；② 材料组织中有大块或连续分布的非金属夹杂物、严重的碳化物带状偏析等造成原材料组织严重不合格。

2.2 零件毛坯车削刀花裂纹及加工尖角裂纹

零件毛坯车削刀花裂纹及加工尖角裂纹是由于粗加工时，刀花处应力集中，特别是螺纹和深孔加工时会产生相互平行而不连续的细小表面裂纹；另外在车、铣加工各类沟槽时，由于尖角或倒角过小，沟槽处会出现较大应力集中问题，超过材料强度极限引起裂纹。热处理时，由于尖角效应裂纹常从沟槽处开始产生。

2.3 淬火裂纹

淬火裂纹是由于在淬火过程中，应力过大，超过钢的断裂强度极限所致。主要原因有：① 热处理工艺问题，由于淬火温度过高或保温时间过长导致组织过热，使淬火后应力增大超过了原材料的断裂强度极限而发生过热裂纹，通常工件淬火后出炉掉地上即会断裂；② 淬火后未及时回火(一般不超过1 h)，导致淬火应力未得到释放；③ 工件厚薄不均匀，淬火时工件厚处未淬硬，致使淬硬层和未淬硬层交界处产生过大的组织应力；④ 淬火介质选择不当，冷却速度过快或者淬火介质不纯，淬火油里混有大量水分超过标准；⑤ 工件结构设计不合理，如工件横截面尺寸不均匀，含有易形成应力集中的尖角、棱角、沟槽或螺纹孔洞等；⑥ 工件二次淬火裂纹，因为经过淬火后的工件一般都处于高应力状态，组织内部的结构缺陷很多，应经过高温回火消除隐患；对于因过热而需进行二次淬火的工件，操作工疏忽未按要求执行二次淬火工艺，致使工件在更大的热应力和组织应力的作用下产生二次淬火裂纹。

2.4 磨削裂纹

淬火后的工件在磨削加工过程中因磨削用砂轮粒度、硬度、磨削速度和进给量等工艺参数选用不当，产生大量磨削热使工件表面温度急剧升高，在工件表面造成“二次回火”；严重时，磨削热甚至使工件表面达到淬火温度，在磨削液的冷却作用下，工件表面形成“二次淬火”，造成表面晶粒粗大，产生大量的组织应力和热应力；工件内部的热处理残余内应力与磨削时产生的磨削应力叠加后超过材料断裂强度极限，导致磨削表面出现磨削裂纹。该类裂纹特别容易出现在轴承心轴和外圈磨削沟道过程中，裂纹细而浅，一般可通过磨削烧伤试验检测。

3 预防和整改措施

在显微镜下观察HQY3039E型分梳龙带轴承心轴裂纹形态，依据轴承生产经验判断：A处裂纹应为磨削裂纹，B处为淬火裂纹。针对这2种裂纹产生的原因，结合轴承加工制造过程，有针对性地采取以下预防和整改措施。

3.1 严格控制原材料、毛坯件的采购

对原材料和外购毛坯件按照国家标准[3]严格检验，重点检查化学成分、硬度及金相组织，对于不符合标准的原材料和毛坯件坚决拒收。

3.2 热处理工艺控制

提高热处理操作工的责任心，严格按照淬火、回火工艺参数执行；严格控制加热速度、加热温度、加热时间和冷却速度，在确保淬火硬度的前提下，对形状复杂、易淬裂的工件应采用淬火下限的加热温度，并适度降低加热速度，甚至采用预热措施；淬火后1 h内应及时回火并适当延长回火时间，使组织应力和热应力得到完全释放；严格控制淬火冷却介质质量，防止淬火油内混水，定期更换或部分更换新的淬火油。

3.3 产品结构设计与加工余量优化

设计时，除满足该工件功能外，还要注意其工艺性能。优化产品结构设计，尽量避免尖的倒角、凹角、沟槽和过于悬殊的壁厚差。将HQY3039E型分梳龙带轴承心轴键槽根部加圆角过渡，并合理规划磨削加工余量，在确保产品加工精度的基础上尽可能减少加工余量。

3.4 提高粗加工质量

HQY3039E型分梳龙带轴承心轴为贯通深孔，粗加工采用钻头钻孔时，表面会产生螺纹状不连续的细小裂纹，淬火时极易产生淬火裂纹。因此，钻孔后需再铰孔，以提高孔的加工质量。

3.5 增加消除应力退火

对于像HQY3039E型分梳龙带轴承心轴这种形状复杂、精度要求较高的零件，在提高车削加工质量的前提下，应在粗加工与精加工之间，淬火之前进行消除应力退火工艺。

3.6 磨削加工控制

磨削加工控制措施：① 根据设备和工件加工要求，选择合理的磨削加工工艺参数，如砂轮磨料、粒度、硬度、磨削速度、进给量、冷却液配方及冷却方式；② 提高操作者的质量意识，严格按工艺要求磨削，严禁偷漏工序，本次A处裂纹应是操作工私自增加进给量，将粗、精磨两道工序合并造成；③ 采用“减少每次进给磨削量，多次进刀”的方法，增加磨削冷却液，有效降低工件表面的磨削热和磨削应力，杜绝工件在磨削过程中产生二次淬火或二次回火问题，从而避免磨削裂纹的产生；④ 定时进行磨削烧伤检查，特别是轴承沟道的磨烧伤试验应每班次送检，以杜绝磨削裂纹的产生。

4 结语

4.1 在轴承加工、生产过程中，工件裂纹主要集中出现在热处理加工和磨削加工两个环节；淬火裂纹和磨削裂纹造成试制HQY3039E型分梳龙带轴承心轴批量报废。

4.2 通过严格控制原材料与毛坯件采购、热处理工艺，优化产品结构设计与加工余量，提高粗加工质量，增加消除应力退火和磨削加工控制等措施后，轴承在制造过程中易产生裂纹的问题得到了很好的控制，且后续加工、生产的分梳龙带轴承无裂纹再现，轴承裂纹预防和整改措施的有效性得到确认。