轴承的作用是在使用过程中支撑机械旋转体。在周期负荷的作用下，轴承接触外表面，易发生疲劳剥落等问题。此外，在运行过程中，轴承的套圈、滚动体和维持架之间除发生滚动摩擦外，还会发生滑动摩擦，导致轴承零件磨损。因此，轴承钢必须具有很好的耐磨性。GCr15轴承钢是一种合金含量较少、性能良好、应用广泛的高碳铬轴承钢。该钢经过淬火、回火处理后,具有较高的硬度、良好的耐磨性、优异的抗接触疲劳性能。
某公司生产轴承套圈的工艺为：电弧炉冶炼→精炼→真空处理→连铸→热轧成圆棒→下料段→加热→穿孔→球化退火(保护气氛)→冷拔→下料→机械加工。机械加工后，发现部分轴承套圈内表面发生开裂现象，为查明套圈内表面开裂原因，研究人员采用一系列理化检验方法对其进行分析，以避免该类问题再次发生。
1、 理化检验
1.1 宏观观察
开裂套圈的宏观形貌如图1所示。由图1可知：套圈内表面的裂纹大多沿套圈轴向分布，且裂纹的宽度和长度均不一致。
1.2 化学成分分析
在开裂套圈上取样，对试样进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：开裂套圈的化学成分满足GB/T 18254—2016 《高碳铬轴承钢》对GCr15轴承钢的要求。
1.3 扫描电镜(SEM)及能谱分析
将开裂套圈沿裂纹人工打开，采用 SEM对断口进行观察,结果如图2所示。由图2可知：套圈内表面存在长条形凹坑,由套圈端部向内宽度先变宽后变窄，较窄的部位可见颗粒状异物，异物与套圈基体之间有明显的界限。
采用能谱仪对异物及基体进行分析，结果如图3所示。由图3可知：异物与基体成分差异较大，异物主要含有 Cr、W、Co等元素，而基体的化学成分与GCr15钢基本一致。
2、 综合分析
由上述理化检验结果可知：开裂套圈的化学成分满足标准要求，裂纹位于套圈内表面，且裂纹沿套圈轴向方向延伸。套圈内表面存在长条形凹坑，凹坑由套圈端部向内先变宽后变窄，较窄的部位可见颗粒状异物，异物与套圈基体之间有明显的界限。异物主要含有 Cr、Mo、W、Co等元素，这些元素不属于轴承套圈的基体，且这些元素集中区域与轴承套圈基体之间存在明显的界限。说明钢管内部的异物并不是在冶炼过程中进入钢的，而是在穿孔或者拉拔过程中，异物被挤压至钢管内表面所致。异物嵌入基体，使钢管内表面的连续性被破坏，最终导致套圈产生裂纹。
生产套圈毛坯的主要方式有：将棒材下料，然后热锻成套圈毛坯；将棒材进行穿孔处理，然后冷拔成钢管。采用锻造加工的方式生产套圈毛坯可以消除金属的内在缺陷，改善金属的组织，使金属流线分布更合理，成型套圈的尺寸分布更广。采用穿孔、冷拔的加工方式生产套圈毛坯，生产效率更高。因此，采用穿孔、冷拔的加工方式生产小规格套圈毛坯，采用锻造加工的方式生产大规格套圈毛坯。
该开裂套圈为小规格轴承，为提高生产效率，采用穿孔、冷拔的加工方式生产套圈毛坯。在生产套圈的过程中，穿孔顶头及芯棒会与基体接触，并引入外来金属。经调查，生产该批次轴承套圈时，使用的穿孔顶头材料为含Cr、Mo、W、Co等元素的合金钢，使用的芯棒材料为4Cr5MoSiV1钢。在生产套圈的过程中，穿孔顶头与高温管坯的内表面接触，承受着压应力、切应力及表面摩擦力的综合作用，导致穿孔顶头发生开裂，甚至破碎。
3、 结论及建议
轴承套圈开裂的原因是：在穿孔过程中，使用的穿孔顶头发生破碎，破碎的颗粒嵌入基体中，破坏了基体的连续性，最终导致套圈内表面发生开裂。
建议加强对顶头的检查，及时更换破损的顶头。改善制造工艺，提高生产质量。
作者：刘月云，杨娥，周杨，彭先锦
单位：大冶特殊钢有限公司 高品质特殊钢 湖北省重点实验室
来源：《理化检验-物理分册》2023年第11期
