专家经验：滚动轴承零件常见的淬火裂纹分析与预防
作者：程彬，马爽，刘传铭单位：洛阳轴承研究所有限公司来源：《金属加工（热加工）》杂志淬回火是使轴承零件提高硬度、强度，获得满意综合力学性能的关键工艺。淬火裂纹是轴承零件在实际生产过程中最常见、最严重的缺陷种类之一。影响淬火裂纹形成的因素众多，轴承零件淬火裂纹的宏观形态也各不相同。掌握各种影响因素的作用，了解轴承零件淬火裂纹形貌规律，对防止淬火裂纹的发生、提高成品率具有重要意义。
轴承淬火裂纹产生原因与应对1.轴承零件引起淬火裂纹的主要原因轴承零件在淬火过程中由于所产生的内应力大于材料断裂强度而产生的脆性开裂，称为淬火裂纹。内应力包含组织转变应力和淬火冷却热应力，是造成淬火裂纹的本质因素。结合轴承零件生产实际，引起淬火裂纹的原因较复杂，归纳起来包括材料冶金缺陷（严重的非金属夹杂物、缩孔残余、发纹、严重的碳化物偏析等）、零件结构缺陷（零件壁厚差大、油沟和尖锐棱角等）、淬火前工序间缺陷（锻造过烧、冷冲成形应力过大、较深的车刀痕等）和淬火工艺不良（淬火温度过高、冷却不良、表面脱碳、淬火返修工艺不当）等。2.轴承零件淬火裂纹的形貌特点及分析方法轴承零件淬火裂纹形状很不规则，有的沿横向，有的沿纵向，有的在零件表面呈“S”形或“Y”形，还有的呈龟裂网状。淬火裂纹的深浅也各不相同，但深度远大于磨削烧伤裂纹。观察淬火裂纹断口可以发现断口面往往有油污、水渍及回火色存在，未污染的断口面则是干净的细瓷状。用金相显微镜观察，裂纹呈撕裂状扩展，尾部尖细，一般沿晶界分布。淬火裂纹与锻造裂纹和原材料裂纹主要区别是裂纹两侧无脱碳现象。对于轴承零件的淬火裂纹，除上述共性外，还有各自本身特点，举例如下：（1）材料冶金缺陷沿轧制方向分布，因此，由于组织疏松和显微孔隙造成的淬火裂纹热酸洗后在套圈、滚子端面和钢球两级呈点状或短线状分布，发纹和严重的碳化物偏析多在零件表面沿轴向分布。某套圈碳化物严重带状偏析组织显露于套圈内径面，造成此处淬火时应力开裂，如图1、图2所示。
图1 套圈断口裂纹源处碳化物偏析形貌（100×）
图2 套圈碳化物偏析淬火裂纹（2）小尺寸钢球一般采用冷冲压成形。钢球赤道环带处冷冲压时变形量最大，导致此处较高的局部应力形成。当环带被锉削时，又一次受到挤压力，形成较大的磨削应力，因此钢球赤道处在淬火时极易形成有规律的钢球赤道裂纹，如图3所示。
图3 钢球赤道淬火裂纹（3）轴承套圈形状复杂，截面和壁厚尺寸变化较大。当淬火冷却速度过大时，不同壁厚产生的组织转变应力和淬火冷却热应力也有较大差异，因此在壁厚差较大处易形成贯穿性淬火裂纹和油沟裂纹。（4）套圈零件表面较深的划痕、过深的车刀痕和套圈上尖锐的倒角、沟槽等处都易形成尖角处应力集中，在后续淬火中发生开裂，此类淬火裂纹方向与划痕、车刀痕、沟槽方向保持一致。例如，某轴承套圈油孔冲孔后产生的金属毛刺在淬火前没有清除掉，淬火时在此处产生尖角效应发生开裂，如图4所示。轴承零件上因车刀痕过深产生的淬火裂纹呈相互平行的线链状且沿周向分布，如图5所示。
图4 套圈油孔毛刺淬火裂纹
图5 套圈车刀痕过深产生的淬火裂纹（5）由于第一次淬火因某项质量要求不达标，需要进行重新淬火处理，在重新淬火前未消除前次的淬火应力或套圈表面脱贫碳较深，所产生的应力叠加易形成淬火返修裂纹。这种裂纹多呈密集网状或龟裂状，裂纹数量多而深浅不一，裂纹两侧可见脱贫碳，如图6所示。
图6 滚子淬火返修裂纹3.轴承零件淬火裂纹分析方法及预防措施淬火裂纹一旦发生，零件将直接报废。及时、准确分析淬火裂纹产生的原因，据此采取有效改进措施，避免淬火裂纹的重复发生，才是废品分析的初衷。对于截面变化大且淬火前又存在较大残余应力的轴承套圈，淬火前进行高温回火或低温退火，对于防止其淬裂产生具有重要作用。冷冲压成形的滚动体不仅存在较大的内应力，且在冲压时可能产生显微裂纹，淬火时易导致开裂。若在淬火前进行去应力退火，对防止淬裂是有效的。具体轴承零件淬火裂纹的分析方法及预防措施如附表所示。轴承零件淬火裂纹分析方法及预防措施序号产生原因裂纹形貌特点及分析方法预防措施1材料中的严重夹杂物、碳化物偏析、显微孔隙或其他材料缺陷暴露在零件表面金相观察裂纹两侧有超标夹杂物，带状碳化物聚集或孔洞，腐蚀后无脱碳；热酸洗后观察裂纹沿轧制方向开裂加强材料验收检查，严格控制钢材质量2淬火温度过高或保温时间过长引起组织过热宏观观察裂纹方向无规律性，金相观察裂纹两侧无超标夹杂物、无脱碳；组织粗大，超过相关标准要求降低淬火温度或缩短保温时间,检查热处理炉温控仪表是否正常3淬火油池底部有水；搅拌不均匀宏观观察冷速过快时套圈多沿壁厚薄或油沟处开裂；冷却不均匀时裂纹在零件表面多成“S”“Y”形分布；金相观察裂纹两侧无脱碳正确选择淬火冷却介质和冷却方式；严防淬火油内含水；均匀搅拌4尖锐倒角、油沟、密封槽、油孔；过深的车刀痕、打字痕；滚子顶针孔等宏观观察裂纹平行于沟槽或垂直于尖角；金相观察裂纹源产生于尖锐棱角处，裂纹两侧无脱碳；因过深车刀痕产生的淬火裂纹磨加工后零件表面已无车加工痕迹，但热酸洗后观察裂纹仍呈相互平行的线链状沿周向分布对于零件上存在的尖角设计应改进产品设计；对于存在较深的油沟、密封槽、油孔零件，应在淬火前加去除应力退火；过深的车刀痕、毛刺等，检查发现后应在在淬火前清除5冷冲压成形型的滚子和钢球宏观观察裂纹多存在在滚子端面倒角处和钢球赤道上；金相观察裂纹两侧无脱碳，裂纹附近有明显的晶粒变形淬火前去应力退火或高温回火6零件壁厚差大，冷速过快宏观观察裂纹贯穿断裂或变截面处开裂；金相观察裂纹两侧无脱碳提高淬火冷却介质温度；采用分级淬火，调整工艺减少变形7表面严重脱碳（分为热处理脱碳和材料脱碳层车加工未清除干净两种情况）宏观观察裂纹无方向性；金相观察零件表面严重脱碳，高碳铬轴承钢可见白色块状铁素体和粗大马氏体针，裂纹两侧无脱碳；重点是区分脱碳产生的原因，可以通过测量油沟或大倒角处的热处理脱碳层深度与零件表面脱碳层深度的比较加以判断对于热处理脱碳造成的开裂，需要对加热炉采用可控气氛来减少或消除脱碳现象；对于材料脱碳造成的开裂，需要严格控制材料的脱碳层检验，并在淬火前将脱碳层清除干净8多次淬火或回火不及时宏观观察裂纹多呈密集网状或龟裂状；金相观察裂纹两侧可见脱贫碳高温回火后再二次淬火；淬火后要立即回火；回火要充分
实例分析某公司成品圆锥滚子轴承内圈，材料为GCr15，滚道面存在一条裂纹，大致沿周向分布，如图7所示。要求对送检内圈裂纹产生原因进行分析。
图7 送检圆锥滚子轴承内圈裂纹宏观形貌1.金相分析将送检轴承内圈纵向切割，磨制抛光腐蚀后放置在金相显微镜上进行检验。结果发现：（1）滚道面裂纹与表面垂直，深度约为4.36mm，滚道面脱碳层深度为0.10mm，裂纹两侧未见脱碳，如图8所示。
（a）内圈滚道面裂纹形貌 （b）滚内圈滚道面裂纹腐蚀形貌图8 （100×）（2）内圈油沟存在严重脱碳，油沟脱碳层深度为0.23mm，如图9所示。
图9 内圈油沟处腐蚀形貌（200×）（3）内圈大挡边、小挡边各发现一条裂纹，挡边外径面均存在严重脱碳，裂纹两侧无脱碳，如图10所示。
（a）内圈大挡边裂纹形貌 （b）内圈小挡边裂纹形貌图 10 （50×）（4）按照GB/T34891—2017标准，送检内圈淬回火后马氏体组织评定为＞4级，网状碳化物为1级，淬回火组织如图11所示。
图11 送检内圈淬回火组织形貌（1000×）2.结果分析及结论（1）送检轴承内圈网状碳化物符合GB/T34891—2017标准要求；内圈淬回火组织、热处理脱碳层深度及工作面（滚道面）存在脱碳，均不符合GB/T34891—2017标准要求。（2）经金相检验，送检轴承内圈油沟处脱碳层深度为0.23mm，内圈滚道面脱碳层深度为0.10mm，故内圈滚道面上热处理产生的脱碳层在后续磨加工中没有去除干净；内圈三处裂纹两侧均无脱碳，因此判定，送检轴承内圈裂纹是由于淬回火组织粗大和表面脱碳层严重超标所导致的淬火裂纹。
结语以上实例分析是轴承零件淬火裂纹分析中最常见的一种类型，即淬回火组织粗大和表面脱碳层严重超标双重因素作用引起淬火裂纹。实际生产中轴承零件淬火裂纹的形成，往往是多种因素的相互叠加，更需要相关工作者抽丝剥茧般地准确找出开裂原因。从轴承零件淬火裂纹形貌特征入手，经金相组织分析和热酸洗观察，并辅以必要的工艺情况调查，就可以较快地确定造成裂纹的主要工艺因素，并可以达到改进工艺、指导生产、提高产品质量的目的。
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