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352226X2-2Z铁路轴承内圈裂纹的分析
西北轴承股份有限公司(宁夏银川 750021) 陈克福 孙建梅 包 莉
352226X2-2Z(197726)铁路轴承套圈选用电渣重熔G20CrNi2MoA渗碳钢制造，零件经渗碳淬火和低温回火后，表面可以获得高硬度和高强度，使耐磨性、抗拉强度以及接触疲劳寿命显著提高；心部具有良好的韧性和强度，能够承受一定的冲击载荷。铁路轴承内圈在热处理加工过程中，偶尔在小挡边内部产生弧形裂纹，严重时造成小挡边掉边废品，既带来经济损失，更为铁路行车带来不安全的隐患。本文对弧形裂纹和掉边工件进行研究，从热处理工艺、组织、硬度、应力等方面探讨裂纹和掉边的原因并提出避免弧裂纹产生的措施。
1 加工现状及裂纹形态
热处理工艺曲线如图1所示。
图1 352226X2-2Z轴承内圈热处理工艺曲线
热处理各工序工艺参数如下：
1.1 高温回火
设备：RJT-760 温度：650±5℃
每盘时间：30min 装量：14套/盘
1.2 渗碳及一次淬火
设备：连续渗碳炉
温度与碳势见表1。
每盘时间：40min 装量：8套/盘
1.3 二次淬火
设备：辊底炉 温度：800～810℃
时间：55～60min 装量：3件/周期
1.4 回火
设备：台车炉 温度：180±5℃
时间：4
h 装量：1筐/炉
1.5 附加回火
设备：台车炉，温度：150±5℃，时间：4
h，装量：1筐/炉。
352226X2-2Z轴承内圈，在热处理与磨工工序间，偶尔发现有小挡边掉边工件，被陆续挑出。直至细磨外观检查全部合格后，进行探伤检查，又发现个别工件，小挡边端面上沿圆周方向有缺陷，如图2所示。沿图2中A-A有缺陷部位，用线切割解剖后，纵断面显示，工件渗碳层与过渡层的交界处有裂纹，形状为圆弧形，称之为弧形裂纹，如图3所示。若在该处小端面上撞击，小挡边被敲掉，形成掉边工件，与工序间发现的掉边工件完全一样，掉边形状与探伤显示的缺陷一致，如图4所示。
图2 探伤检查的缺陷
图3 弧形裂纹
图4
掉边下件
由此可以确认，工件内部存在的弧形裂纹与工件掉边是一致的。弧形裂纹是根源，掉边工件由弧形裂纹引起，如果避免了弧形裂纹的形成，也就杜绝了掉边工件的产生。
2 裂纹工件的性能检测分析
2.1 硬度
取掉边工件与正常合格工件各一件，使用线切割解剖后，在横截面上进行硬度测试，渗碳层硬度结果如表2及图5所示。
图5 渗碳层硬度分析曲线
图6 渗碳层碳含量分布曲线
2.2 金相组织
将掉边工件与正常工件分别制成金相试样，在500倍金相显微镜下观察发现：两个试样组织类型、粗细程度基本相似，发现弧形裂纹形成在渗碳层与过渡层交界处。
2.3 碳浓度
对掉边工件和正常工件分别做渗碳层碳浓度分析(采用剥层法)，测试结果如表3，碳含量分布曲线如图6所示。
通过对352226X2-2Z轴承内圈硬度、组织、碳含量检测，以及对掉边工件与正常工件的对比实测结果。综合分析认为：渗碳层内硬度分布曲线与碳含量分布曲线形状相似，即正常工件的曲线平缓，过渡圆滑；掉边工件在距表面2.0
mm左右处，曲线梯度突然变陡，形成了拐点，金相观察证实：曲线梯度突变的位置或拐点的位置，就是工件内部渗碳层与过渡层的交界处。事实上硬度、组织与碳含量，三者互为影响互为关联，同材质、同形状、同尺寸、同状态的轴承零件，在相同的热处理条件下加工，淬火硬度主要取决于碳含量，碳浓度的变化决定着淬火组织与硬度。因此，渗碳层硬度与碳含量分布曲线的形状是一致的，碳浓度的突然降低决定了硬度的突然降低，在曲线上均出现了拐点，即拐点出现在金相观察到的渗碳层与过渡层的交界处。结合裂纹形态分析说明：弧形裂纹产生于渗碳层与过渡层交界处，碳浓度发生突变的拐点部位。
3 弧形裂纹原因分析
G20CrNi2MoA材料含碳量为0.2%左右，经过渗碳使表层碳含量提高到1.0%以上，由于马氏体的比容大于奥氏体，淬火冷却时，奥氏体向马氏体转变，体积将发生膨胀。渗碳工件淬火时，由表及里碳浓度递减，说明表里不同部位的马氏体转变开始温度Ms递升，尽管表面先冷却，而马氏体转变却滞后发生，所以渗碳工件表面呈压应力状态，表面下一定深度处呈拉应力状态。这种拉应力是热应力和组织应力的综合作用结果。实践证明：工件渗碳后，碳浓度梯度越大，淬火冷却时的拉应力也越大，尤其在碳浓度曲线上出现梯度突然变化的拐点处的拉应力是最大的。
分析认为，若铁路轴承内圈在热处理加工之前，本身存在着某些缺陷(材料缺陷、锻造缺陷等)，热处理加工时由于渗碳因素影响，渗碳层与过渡层的交界处形成碳浓度突然变化的拐点，淬火冷却时，工件内部充满了巨大的热应力与组织应力，其中拐点处的应力是最大的。然而工件本身的形状结构特点，使工件各部位的断裂强度不同。一些部位的强度小于热应力与组织应力，就会在此部位形成裂纹。352226X2-2Z轴承内圈小挡边处壁最薄，淬火时冷速最大，又有油沟的影响，热应力和组织应力都大，且有应力集中效应，此处是整个工件最薄弱的部位，此处的应力大于此处的断裂强度时，便在小挡边处产生弧形裂纹，严重时形成了掉边工件。
实际生产中，工件的弧形裂纹或掉边现象严重的在一次淬火或二次淬火过程中就可发现，不太严重的借助外力后(如磨削应力、碰撞等)才可以发现，细小裂纹只有靠仪器(如磁力探伤)才能发现。
4 避免产生弧形裂纹的措施
352226X2-
2Z轴承套圈使用电渣重熔G20CrNi2MoA材料，钢材质量必须符合YB4100-1998标准要求，在此前提下，对热处理工艺加以探讨。
(1)渗碳：包括渗碳剂的分解、吸收和扩散三个过程，连续渗碳炉共分为7个区(其中1区为加热区；2~4区为渗碳区；5区为扩散区；6、7区为淬火保温区)，各区碳势和温度单独控制，但炉内结构为贯通式，互相干扰，工件在高碳势气氛中扩散效果不明显，工件渗层碳浓度梯度较陡，甚至出现拐点。若改变碳浓度梯度的不利分布，可采用降低扩散区碳势的办法，当工件渗层接近要求时，将扩散区碳势由1.0%降低到0.85%~0.90%范围内，使表面高浓度碳原子向内部扩散，降低表面碳浓度，增加过渡层的厚度，使渗层碳浓度梯度趋于平缓，从而降低淬火应力，避免裂纹的形成。
(2)渗碳出炉一次淬火时，由于工件内外温差大以及组织转变，将产生很大的热应力和组织应力，增大了工件产生裂纹的倾向，为此可将淬火温度由860℃降为830℃，将油温由80~100℃提到130~150℃，既可避免渗碳层析出网状或块状碳化物，防止心部析出块状铁素体，又可降低淬火应力，降低裂纹产生的危险。
(3)工件一次淬火后的内应力较大，为减少应力的作用时间，避免裂纹形成，应及时进行二次淬火，如果将一次淬火与二次淬火的间隔时间，由24
h缩短到12 h，由于放置时间过长而形成的裂纹，将大大减少。如果一次淬火后增加一道200~400℃的中温回火，效果最佳，既可消除一次淬火应力，避免裂纹产生，又可使一次淬火时组织中的残余奥氏体充分分解，析出合金碳化物，提高工件的综合机械性能。
(4)现行二次淬火以及回火工艺是合理的，工件加工后，各项技术指标能够达到标准要求，需要重视的是：二次淬火后工件内部存在着很大的内应力，渗碳层组织由淬火马氏体、残余奥氏体和细粒状碳化物组成。淬火马氏体与残余奥氏体处于不稳定状态，为了减少热应力和组织应力的影响，避免裂纹形成，二次淬火后应及时回火，间隔时间越短越好。
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