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軸承外圈端面開裂分析

2013-02-21

曹利　劉樹濤
（承德建龍?zhí)厥怃撚邢薰荆?br />
　　1、概述
　　軸承外套有2種基本的生產(chǎn)工序：
　　1.1 等離子下料—反射爐加熱—鐓餅—沖盂—沖切連皮—碾圈—整形—機(jī)械加工……
　　1.2 熱剪下料—工頻加熱—鐓餅—沖盂—沖切連皮—碾圈—整形—機(jī)械加工……
　　熱切工藝的效率、自動化水平較高，但會因切頭不整、歪斜造成鍛壓偏心度過大而甩廢；而冷切工藝需手工斷料，效率較低，但反射爐加熱經(jīng)濟(jì)、熱值低，工藝不需要精確調(diào)整，控制容易。
　　在碾圈端面易出現(xiàn)開裂，目前就一種開裂進(jìn)行原因分析，如圖1中箭頭所示。缺陷集中分布在端面的一個區(qū)域，開口較大的缺陷可見缺陷深度，在內(nèi)、外圓柱面上沒有延伸。形態(tài)方面不具有裂紋形態(tài) ，更近于折皺類缺陷。因部分缺陷深度較深造成車削后尺寸不足而報廢。
圖1 軸承外圈的缺陷形貌             
　　軸承外套的缺陷有多種，僅就此種缺陷分析，借以引出問題，逐步改善。取缺陷區(qū)的切向外表面進(jìn)行分析。
　　2、金相分析
　　自套圈缺陷處外周面的切向磨削，首先觀察到開口較大的缺陷，整體呈腔形，底部右側(cè)的特征如圖2所示，底部呈大弧形狀，界面不整，氧化層較厚。腐蝕后該缺陷左側(cè)的組織形貌如圖3所示，角部Z厚處的氧化層為0.70mm。從脫碳層來看，腔形左側(cè)的凸起區(qū)金屬呈完全脫碳狀態(tài)，自尖端至基體組織處脫碳深度為1.12mm，而臨近的正常區(qū)端面（箭頭2所指）的脫碳層深度僅為其1/5，基體組織的邊界呈凸弧形（箭頭1所指）。從晶粒大小來講，端面薄層及凸起區(qū)根部至內(nèi)尖角小裂紋區(qū)（箭頭3所指）一帶晶粒十分細(xì)小，其它區(qū)域則較大，對于端面晶粒細(xì)小容易理解，變形率較大及與型腔的摩擦、錯動所致，而凸起的根部這一帶細(xì)小，是否意味著進(jìn)行了額外的彎矩變形？綜合起來可以這樣理解，尖角區(qū)金屬原來可能為高出表面的凸起被壓折，或者是凸起本身連帶著凹陷，而不是原來平整的面，由于碾壓變形不均形成的。
圖2 大開口缺陷的底部左側(cè)形貌（×50 ）
        
圖3 大開口缺陷底部右側(cè)腐蝕后的形貌（×50）
　　沿觀測面繼續(xù)向內(nèi)層磨削，可以看到如圖4類型的較深缺陷，內(nèi)塞滿氧化鐵，底部基體上分布著線狀的氧化物質(zhì)點(diǎn)，有可能為氧化較輕的裂面在金屬的劇烈變形中彌合，留下氧化物痕跡。
圖4 另一缺陷的整體形貌（×100 ）
           
圖5 第三類缺陷的形貌 （×100）
　　圖5為接近彌合狀態(tài)的缺陷，附近的基體上環(huán)繞缺陷散布著二次氧化質(zhì)點(diǎn)，為高溫擴(kuò)散氧化生成物，這種形態(tài)表明該缺陷為較窄缺口經(jīng)歷高溫氧化加熱。應(yīng)該說明，這些圖片僅為缺陷的一個截面視圖，缺陷的深度及寬度均不具有代表性。腐蝕后的形貌如圖6所示，脫碳區(qū)呈環(huán)繞缺陷的大弧形，內(nèi)壁分布有垂直于壁面的完全脫碳的鐵素體。從脫碳分布情況看，形態(tài)近于一個開口腔形，尾部有一條窄細(xì)裂縫。體部正常區(qū)金相組織如圖7所示，為碾圈過程中劇烈變形所形成的粒狀珠光體組織。
圖6 另一缺陷的整體形貌 （×100）
             
圖7 體部區(qū)域的組織形貌 （×500）
　　3、綜合分析
　　軸承外圈經(jīng)過多道工序的加工，一些較小的缺陷進(jìn)行變異，很難確切地追溯到原始狀況，可靠的方法為現(xiàn)場進(jìn)行分類跟蹤、調(diào)查。不過，仍然有一些線索可以進(jìn)行推測，有助于理出思路，作些努力，驗證推論的正確性。在此，缺陷定性顯得十分重要，它涉及到改進(jìn)方向及效果。
　　3.1  缺陷對應(yīng)在圓鋼上的位置。
　　該缺陷呈簇狀、集中分布于軸承外套圈的端面，在內(nèi)、外柱面上沒有延伸，僅分布于端面一定深度范圍內(nèi)。那么，缺陷是如何形成的？缺陷能否對應(yīng)出在鍛造毛坯上的位置？
　　在鐓餅鍛粗工序，臨近原鋼材端部的少部分圓柱面轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗣?，如圖8所示，視鍛壓比的不同，轉(zhuǎn)變量不同（注：圖8鍛壓比為3 ）。圖中因端面鋸斜而出現(xiàn)鍛斜和紋路歪扭問題，引入端面的柱面量也不均。極端情況下，因過度偏斜而甩廢。
圖8 鐓餅端面形貌
　　在沖盂過程中，因模腔約束沖孔只能在鐓餅件的中心，加劇了原柱面的變形不均，見圖9，圖中兩側(cè)的高度和徑向擴(kuò)張量差異明顯。沖頭直徑的選擇要保證碾成大圈足夠的肉量，一般不會太大（圖中為φ35mm）。這樣如為φ50～70mm規(guī)格圓鋼，將有原鋼材端面的外層區(qū)和部分端部圓周面構(gòu)成了新的端面。鐓粗時因鐓模的熱應(yīng)力疲勞裂紋，在沖盂端面上仍有反映，見圖10。
圖9 其中一種沖盂形貌
圖10 另一種沖盂形貌
　　圖11為沖切連皮的形貌，略呈鼓形，相當(dāng)于原鋼端面的心部區(qū)域，除了心部的較長裂紋或其它類缺陷外，其外沿區(qū)（即與圈端面相接區(qū)），尚有一些小缺陷，無論是壓折還是裂紋，難保相接的端面上不會有同樣的缺陷存在。
　　在碾壓初期，端面處于單向自由狀態(tài)，將變成鼓形，隨著碾輥位移和壓力的增大而一步步減薄，同時周向長度伸長，軸向?qū)挾茸儗挘瑑?nèi)、外圈部的部分端面將重新轉(zhuǎn)為周面，Z終貼向兩邊凸模，壓實后整形、均勻碾薄。相比而言，碾壓的周向延伸遠(yuǎn)大于軸向延伸，而且以產(chǎn)品壁厚作為主要控制指標(biāo)，端面的貼實、壓緊能力較輕。依據(jù)表面連續(xù)性原理，碾壓前處于端面中部的金屬將仍然處于端面，而端面承受的主要變形也是周向的伸長變形，這種變形將加劇暴露端面的缺陷。
　　圖11 沖切連皮形貌
　　軸承外套外徑φ162mm，內(nèi)孔呈錐形，大端內(nèi)徑φ146mm（壁厚8mm），小端內(nèi)徑φ132mm（壁厚30mm），缺陷出現(xiàn)在大端的薄壁端部，碾壓比率較大，外圓周面的影響已很小，應(yīng)該是在圓鋼端面外層區(qū)帶出現(xiàn)的問題。如果是圓周面所帶來，應(yīng)經(jīng)過相當(dāng)程度的拉伸變形，不可能僅僅存在于外圈端面，在類似的成簇狀的缺陷中，外圓周面上的表面裂紋可以排除；大塊氧化鐵皮壓入、坯溫過低的“Y”型冷裂多呈批量性、連續(xù)性，周面上也會有所反映；個別小區(qū)域性的結(jié)疤缺陷，在壁厚較厚時不能完全排除，但無法形成大量質(zhì)量問題。
　　3.2、缺陷定性。
　　由金相分析可知，缺陷的主體不具有裂紋性質(zhì)，是由凹陷和臨近區(qū)的凸起組成的，凸起尺寸較?。ㄖ辽贋槠渲械囊徊糠郑⑼耆┞抖耆撎?，凹陷也因完全暴露而形成環(huán)腔形的氧化、脫碳，總體上來講，這些缺陷的尺寸是比較小的，沒有經(jīng)過大量的變形。
　　那么，產(chǎn)品的下料端面有什么問題呢？
　　圖12為我公司軸承鋼熱切端頭形貌，橢圓和切斜隨剪切溫度的高低，各個鋼廠都不同程度地存在，而端面毛茬、凹陷、凸棱等缺陷，我公司的比較嚴(yán)重。圖13為建龍與巨能圓鋼在等離子下料后的端面情況，巨能圓鋼呈結(jié)晶狀，無論燒割弧長短、規(guī)格大小均較平齊，斷裂尾部區(qū)（下部）起伏較小，呈區(qū)域性、大坡度，而我公司的鋼材斷面呈凸粒狀、十分粗糙，斷裂尾部區(qū)存在較大的凹陷和剪切唇，唇區(qū)呈斜鍥形，高度較高，對應(yīng)的另一塊料則為局部的缺肉。所有這些缺陷都將被加熱、氧化、脫碳，在鍛壓中被壓附在端面，在碾圈中受張應(yīng)力而張開，不能被燒損、抹平的，Z終將體現(xiàn)在外圈的端面。缺肉較多的部分將不能被抹平，形成凹陷，見圖13。這一類缺陷可統(tǒng)稱為“毛頭”缺陷。
圖12 建龍鋼材熱切端頭形貌
      
圖13 等離子下料形貌 （左建龍、右巨能）
　　在碾壓過程中，如果原有端面金屬連續(xù)，成型也將穩(wěn)定、連續(xù)，較少量的局部缺失也會修復(fù)，形成平整的端面；如果有較多量的區(qū)域性多肉或缺肉，在端部貼緊模壁后，將漸次向缺肉區(qū)均勻，高度差過大時，將形成整個柱面的折疊性缺陷，見圖14。如果端面有壓折或裂紋，將會張開、加深，界面氧化時不可能被壓實；如果是圓周面的淺表裂紋，將會燒損、碾平，而較深、較長的裂紋仍會體現(xiàn)在外圓柱面上；假如有新的裂口出現(xiàn)，因過程迅速而不致氧化、脫碳過多，易于鑒別?？傊毕輵?yīng)為原下料毛坯端面的凹坑、凸起等缺陷形成的。  
      
圖14 端面缺肉廢品形貌