某廠有一批特大型四列圓柱滾子軸承中擋圈磨加工后，在探傷工序發(fā)現(xiàn)批量性裂紋，該中擋圈材料為GCr15SiMn鋼，尺寸大小為：700mm×90mm，其加工工藝過程為：?300mm棒料入廠超聲波探傷→鋸切→鍛造成型→球化退火→車削加工→熱處理→磨削加工→熒光探傷→裝配。產(chǎn)品追溯過程中發(fā)現(xiàn)在熱處理工序及磨削加工工序檢查時(shí)均發(fā)現(xiàn)端面有裂紋。筆者通過對(duì)該中擋圈進(jìn)行檢驗(yàn)與分析，討論了裂紋產(chǎn)生的原因及改進(jìn)措施，為進(jìn)一步避免類似缺陷的再發(fā)生提供參考和依據(jù)。
1.理化檢驗(yàn)
（1）宏觀檢驗(yàn)
中擋圈在熒光探傷工序發(fā)現(xiàn)裂紋，觀察裂紋位于中擋圈端面，呈線狀并多沿圓周方向分布，裂紋長短不一，最長約20cm，其宏觀形貌如圖1所示；且在端面發(fā)現(xiàn)有明顯的車刀花，制成金相試樣，檢測(cè)其深度約0.05mm，如圖2所示。
（2）化學(xué)成分分析
在中擋圈裂紋處進(jìn)行取樣，大小為15mm×15mm×15mm。采用直讀光譜儀檢驗(yàn)化學(xué)成分，其結(jié)果見表1。該材料的化學(xué)成分除Ti元素超出標(biāo)準(zhǔn)外，其余元素均符合GB/T 182454—2002標(biāo)準(zhǔn)要求。
表1 中擋圈的主要化學(xué)成分 （%）
項(xiàng)目 | C | Mn | Si | Cr | Mo | P | S | Ni | Cu | Ti |
實(shí)測(cè)值 | 0.94 | 1.11 | 0.45 | 1.43 | 0.08 | 0.017 | 0.001 | 0.14 | 0.10 | 0.015 |
標(biāo)準(zhǔn)值 | 0.95～1.05 | 0.95～1.03 | 0.45～0.75 | 1.40～1.65 | ≤0.10 | ≤0.025 | ≤0.025 | ≤0.230 | ≤0.25 | ≤0.005 |
（3）非金屬夾雜物檢驗(yàn)
在裂紋部位制取金相試樣后，在光學(xué)顯微鏡下觀察，其非金屬夾雜物級(jí)別依據(jù)材料標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18254—2002評(píng)定，結(jié)果如表2所示。
表2 中擋圈非金屬夾雜物評(píng)定
項(xiàng)目 | A | B | C | D | Ds | |||||
粗細(xì) | 細(xì)系 | 粗細(xì) | 細(xì)系 | 粗細(xì) | 細(xì)系 | 粗細(xì) | 細(xì)系 | 粗細(xì) | 細(xì)系 | |
中擋圈 | 0 | 0.5 | 0 | 0.5 | 0 | 0.5 | 0 | 0.5 | 0 | 1.5 |
標(biāo)準(zhǔn)值 | ≤2.5 | ≤1.5 | ≤2.0 | ≤1.0 | ≤0.5 | ≤0.5 | ≤1.0 | ≤1.0 | ≤1.0 | ≤1.0 |
（4）金相檢驗(yàn)
制取金相試樣后在光學(xué)顯微鏡下觀察，可見裂紋呈撕裂狀，大致垂直于擋圈表面，尾部尖細(xì)，其內(nèi)未發(fā)現(xiàn)氧化皮，裂紋內(nèi)部及其附近局部有非金屬夾雜物，裂紋深淺不一，深度最深約11mm，其局部形貌如圖3所示。
采用4%（體積分?jǐn)?shù)）硝酸酒精溶液侵蝕試樣后在顯微鏡下觀察，裂紋兩側(cè)未發(fā)現(xiàn)脫貧碳及燒傷現(xiàn)象。觀察金相組織發(fā)現(xiàn)裂紋附近有明顯大塊狀液析碳化物，依據(jù)JB/T18254—2002標(biāo)準(zhǔn)第九級(jí)別圖評(píng)定，液析級(jí)別為2.5級(jí)（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定≤2.5級(jí)），其形貌如圖4中箭頭所示。而金相組織為馬氏體組織，級(jí)別為2級(jí)，不存在過熱現(xiàn)象，產(chǎn)品硬度檢驗(yàn)為58～59HRC，符合技術(shù)要求。
（5）斷口觀察
沿裂紋方向砸制斷口，其斷口形貌如圖5所示，低倍觀察，斷口表現(xiàn)為脆性斷口，裂紋由刀花底部向心部擴(kuò)展，并在后續(xù)擴(kuò)展中大致與車刀花方向一致。
2.分析討論
由于車刀花過深，會(huì)引起套圈熱處理過程中應(yīng)力分布不均，在淬火冷卻過程中，極易沿車刀花應(yīng)力集中部位開裂。
由上面的內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)可知，雖然中擋圈材料的化學(xué)成分滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，但其非金屬夾雜物D細(xì)系超過標(biāo)準(zhǔn)要求，且裂紋周圍存在著非金屬夾雜物DS的顆粒偏大；由于該類夾雜物屬于脆性夾雜物，與基體的膨脹系數(shù)相差較大，容易造成應(yīng)力集中，若該類夾雜物處于中擋圈次表層，熱處理過程中可能成為裂紋萌生源[1-4]。而金相檢驗(yàn)組織也接近工件的次表面。由于碳化物液析的存在與脆性夾雜物對(duì)基體的影響相似，在很大程度上隔離了基體的連續(xù)性，造成應(yīng)力集中，極易成為裂紋萌生源[5-6]。因此，該批量裂紋的產(chǎn)生主要原因與原材料的超標(biāo)有很大關(guān)系。
由于原材料非金屬夾雜物D類超標(biāo)，且裂紋區(qū)域存在偏大的顆粒非金屬夾雜物D類，加上裂紋附近有大塊狀液析，破壞了基體的連續(xù)性，以上因素的共同作用，致使套圈在熱處理淬火冷卻過程中，于材料缺陷區(qū)域產(chǎn)生較大的淬火應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度而導(dǎo)致開裂。
3.結(jié)論及建議
該中擋圈端面圓周方向的淬火裂紋，是由于套圈車刀花過深及原材料缺陷，破壞了基體的連續(xù)性，使得熱處理過程中在刀花底部產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生此類裂紋。
建議在原材料進(jìn)廠檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)加強(qiáng)進(jìn)廠檢驗(yàn)；車加工過程嚴(yán)格按照工藝規(guī)程操作，控制車工件的表面質(zhì)量，降低套圈表面應(yīng)力集中，避免此類非熱處理原因?qū)е碌拇慊鹆鸭y發(fā)生。
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