钢球是球轴承中承载载荷的滚动体，是球轴承中最重要的零件之一，其加工过程相当复杂，从冷镦（或热轧、锻）球坯到最后的清洗包装，设及到诸多的加工工序，而每道加工工序都会对球的内在和表面质量产生较大的影响。钢球的制造质量会直接影响到轴承的使用寿命，因而是极其重要的[1]。钢球因材料冶金缺陷导致轴承失效的案例屡见不鲜，分析难度也不大，但对于小尺寸钢球开裂，尤其是内在冶金缺陷导致的开裂，由于难于通过热酸洗定位材料轧制方向，故分析难度就会增大。本文采用金相、硬度检测、宏观及微观观察分析的方法，广开思路，对钢球产生开裂的原因进行了分析。

某公司送检成品钢球5粒（断裂成半粒的钢球），材料为GCr15轴承钢，加工工艺过程如下：φ6.0mm热轧盘圆（连铸）→球化退火后冷拔成φ4.5mm→去应力退火后冷拔成φ3.2mm→去应力退火后冷拔成φ2.5mm→冷镦成钢球→冷、热加工成φ2.36mm成品钢球。该批次钢球共300万粒，用户在使用过程中发现约60粒开裂成两半，要求对钢球发生开裂的原因进行分析。

1.观察与分析

（1）宏观形貌

送检的5个半粒钢球断口的中心部位材料均呈现为线状分布，边缘光亮且凹凸不平，具有明显的挤压、磨损痕迹，其形貌见图1。

图1  送检钢球宏观形貌

（2）断口的微观形貌观察与分析

为了更详细地观察缺陷形貌，任取半粒钢球放置在JSM-6380LV扫描电子显微镜下变倍观察断口形貌，结果表明：钢球中心部位约五分之三断口呈现为深浅不一平行的条带状，形貌自然、疏松，其余部位主要呈现为挤压、磨损状态，局部为瓷状断裂面，断口的微观形貌见图2～图5。采用EDS7582能谱仪对条带处的多处部位进行微区成分分析，发现材料内存在异常元素，主要为氧、钙、镁及微量的钠。

图2  钢球断口低倍形貌

图3  钢球断口中心部位放大

图4  钢球断口局部高倍形貌

图5  钢球断口局部放大形貌

（3）金相检查

取一粒钢球从心部条带处横向解剖，经磨制后观察发现：①条带剖面深度约0.25mm，条带周围还存在一些小孔隙（见图6和图7）。

图6  钢球心部条带的剖面形貌

图7  图6局部放大形貌

②将钢球沿条带磨制，并采用4%硝酸酒精溶液腐蚀后发现，条带主要位于带状碳化物上并与其方向一致（见图8）。

图8  钢球心部条带与带状碳化物形貌

③钢球的带状碳化物按照GB/T18254—2002标准评为2.5级（见图9和图10），不符合标准要求。

图9  图8局部放大形貌

图10  图9局部高倍形貌

④钢球的淬回火组织过热且极不均匀，按照JB/T1255—2014标准评定为大于4级，网状碳化物为2级，不符合标准要求（见图11）。

（a）心部条带状处 

（b）正常部位

图11  钢球的淬回火组织    

2.结果分析

根据宏观、微观观察分析及金相检验的结果可以确定：

（1）钢球是在安装到轴承内部后使用过程中开裂的，开裂方向均为材料轧制方向。

（2）钢球心部存在有明显的疏松条带，带状碳化物超标且表面含有氧、钙、镁等异常元素，另外，条带均有深度，约0.25mm，由此确定钢球心部存在缩孔残余，属于冶金缺陷，这也是导致钢球在使用过程中发生开裂的主要原因。

（3）钢球的淬回火组织过热使其脆性增大，降低了抗压强度，使钢球更容易发生开裂。

3.结语

送检钢球开裂是在轴承运转过程中开裂的，是材料缺陷和热处理缺陷两者共同作用的结果，属于缺陷开裂；钢球心部存在缩孔残余和带状碳化物超标为主因，热处理淬、回火组织过热使钢球脆性增大也是导致钢球开裂的原因之一。

当钢球尺寸较小或断口挤压、磨损较严重时，无法确定材料轧制方向，也难以进行常规的断口分析，此时可以通过金相法，通过观察缺陷形貌与金相组织的关系找到开裂的主要原因。

作者：梁华，程彬，马爽

单位：洛阳轴研科技股份有限公司