渗碳钢轴承圈开裂原因分析

徐修炎，黄　凯，葛国红(宁江机床集团公司，都江堰611831)

周志光，蔡亚萍(四川省机械研究设计院，成都610041)

摘　要：研究了G20Cr2Ni4钢制轴承圈渗碳淬火后裂纹形成的原因。结果证实，其机理主要是在渗碳空冷过程中表层由于渗碳体过多，导致大量的托氏体形成，而内层在随后转变时则主要形成马氏体，因而导致最表层承受张应力而产生裂纹。

关键词：渗碳；淬火；托氏体；渗碳体

1　情况简介

该轴承圈外径700mm，壁厚23mm，宽200mm，材料为G20Cr2Ni4A钢。生产工艺：锻造—机加工—渗碳—淬火—粗磨。在粗磨轴承圈两外侧平面后，圈两侧出现裂纹，见图1。该轴承圈渗碳后未直接淬火，而是采用空冷后二次加热淬火工艺。渗碳温度930℃，保温时间约20h；二次淬火温度约820℃。

图1　轴承圈在两侧面粗磨时出现的裂纹　2×

2　检测与结果

2.1　化学成分分析

用美国BAIRD铸造光谱仪对开裂轴承圈进行化学成分分析。分析结果，该材料成分符合标准要求，见表1。

2.2　金相检验

光学显微镜下观察，钢中非金属夹杂物含量均在1级以内，且硫化物、硅酸盐的分布与裂纹走向不一致。可见，材质不仅没有缺陷，而且系优质钢。按ZBJ36001-1986《滚动轴承零件渗碳热处理质量标准》规定，表面含碳量应控制在0.8%～1.5%范围之内；粗大碳化物(即渗碳保温过程中析出的碳化物)不得大于单边留磨量D的2/3；粗大碳化物1～2级合格，淬火马氏体、残余奥氏体1～3级合格。

在出现裂纹的轴承圈两侧面，按ZBJ36001-1986标准测定其渗碳深度约为4.2mm，粗大碳化物深度0.5mm左右，其相对含量极高。结合Fe-Fe3C状态图与930℃的渗碳温度，显然其表层含碳量达到1.30%～1.50%以上。显微镜下观察，轴承圈淬火组织为正常的马氏体组织(2级)；裂纹深度2mm左右，裂纹两侧明显脱碳，其脱碳程度相当于裂口形成后经过二次淬火的水平，见图2～4。质言之，裂纹应该生成于渗碳后的冷却过程中。如果其发生在渗碳之先，那么裂纹两侧不会是脱碳，而应该是渗碳。

图2　裂纹口端的金相组织，其两侧之粗大                图3　裂纹中段两侧脱碳，其中可见氧化物，

碳化物明显减少，表明脱碳　330×                      基体组织为马氏体(2级)　330×

图4　裂纹尾端严重脱碳　330×

3　裂纹形成机理的旁证材料

裂纹当时形成的“现场”已被完全破坏。如何去判断其形成机理呢?作者曾多次见过20CrMo钢汽车十字轴、12CrNi3钢机床主轴渗碳空冷后出现类似的表面裂纹；在直径为10～15mm的20CrMnTi钢渗碳试棒上也屡见不鲜。图5至图9即为20CrMnTi试棒910～930℃渗碳2.5h出炉空冷后形成的裂纹形貌及相关组织。它的形成机理是，过共析层的外圈形成了托氏体，而共析层、亚共析层则形成了马氏体。由于托氏体是高温转变产物，先产生了一个固定的外壳，随后共析、亚共析层发生马氏体转变，体积膨胀，使表面托氏体承受张应力。对于如此小的试棒而言，能形成多大的应力?关键是托氏体本身较脆且其层较薄。

图5　20CrMnTi试棒渗碳空冷后产生的开裂，           图6　在横截面上裂纹沿试棒直径方向延伸至

渗碳层深0.7mm　1.5×                       共析层后产生弧形分叉。表层一圈共析层内

除渗碳体外主要为托氏体　70×

    图7　过共析层组织(网状碳化物和托氏体)        图8　共析层组织(马氏体、残余奥氏体和极少量托氏体)

碱性苦味酸钠热蚀　800×                     4%硝酸酒精溶液侵蚀　800×

图9　心部组织(较粗大的上贝氏体)  4%硝酸酒精溶液侵蚀　320×

　　为什么表层约与过共析层深度相当的区域反而冷却缓慢，以致形成了托氏体?其实并不存在局部冷却反常，而主要与相变的性质密切相关。

国际上对珠光体型相变的领先相问题颇多关注，多数人认为，渗碳体是领先相；也有人认为渗碳体与铁素体均可成为领先相，视具体条件而定。但他们没有说明具体条件是什么。本文作者的研究证实，至少在一般商业用钢中，珠光体型转变产物的领先永远是渗碳体。并且证明了过冷奥氏体的稳定性大小顺序为共析成分、亚共析成分及过共析成分。对于任何零件、试棒而言，只要是低合金钢制成的，并且表面有二次碳化物存在或析出，那么在某一合适的冷却速度下冷却，就有可能出现图5至图9的组织并产生裂纹。

一般说，表面碳化物越多，弥散度越高，越易产生上述情况。反之，即使是渗碳以后降温直接淬火，表面组织为碳化物、粗大马氏体及残余奥氏体，也极少见到淬裂现象，这主要是由于形成的是压应力。因此，工件渗碳后不能空冷，而是应放入温度为600℃左右的炉中，并视零件大小保温1～4h，同时放入过程要迅捷，不能延迟。

4　问题探讨

如何解释裂纹只形成于圈的两侧面而不出现于内孔和外圆?阐明这个问题，必须从圈、套类零件淬火时的变形并因之而产生的应力分布入手。作者曾进行过大量的、各类零件的淬火变形试验，得出了许多结论。对于圈、套类零件而言，冷却速度快(如水中剧冷)，则外圆和内孔同时涨大；反之，如油冷、热介质冷却等，外圆和内孔则同时缩小。这一简单规律，只要知道套类零件淬火时最容易产生“喇叭口”这一事实便会深信不疑。

空冷的冷却速度低于油冷，因此，工件的外圆、内孔同时倾向于缩小，并因此导致产生压应力。这种几乎是单纯热应力影响的结果，至少是部分抵消了上述组织应力的作用。事实上情况远不止如此。所以毫无疑问，在本案例中，轴承圈的外圆和内孔在渗碳出炉空冷后不会产生裂纹，为防止开裂，渗碳后不能空冷，而是应置于600℃的炉内，视零件大小保温1～4h，使表面层组织转变时间趋于一致并比较接近平衡状态。

5　结论

通过研究G20Cr2Ni4钢制成的轴承圈渗碳淬火后裂纹形成的原因，证实其机理主要是在渗碳空冷过程中表层由于渗碳体过多，导致大量的托氏体形成，而内层在随后转变时则主要形成马氏体，因而导致最表层承受张应力而产生裂纹。

措施：将工件渗碳后置于600～500℃的井式炉内保温一段时间，使表面层组织转变时间趋于一致并比较接近平衡状态，则可避免裂纹形成。