滲碳鋼軸承套圈白斑原因分析

■ 曾朝凡，龔建勛，張 玲，焦晶明，陳文君，黃 莉，王 超

某重點產(chǎn)品軸承套圈，材料為20CrNi2MoA滲碳鋼，其加工工藝流程：原材料進廠檢驗→鍛造→車加工→滲碳及二次淬火、回火→初磨→酸洗抽檢→細磨→無損檢測→磷化處理。眾所周知，軸承零件若其表面存在軟點、燒傷、貧碳等性質(zhì)的缺陷，則通過酸洗檢驗工序可顯示。正常情況下，經(jīng)過酸洗工序后，滲碳鋼制軸承零件表面應(yīng)呈現(xiàn)均勻一致的灰色；然而該批次產(chǎn)品卻在酸洗檢驗中發(fā)現(xiàn)，軸承內(nèi)外套圈的外徑表面大多呈現(xiàn)白斑現(xiàn)象，同時在套圈的滾道面上也存在此類現(xiàn)象。因此，對其白斑樣件進行了宏觀、微觀檢驗分析，找出了產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，并提出了此類缺陷的預防措施。

1.理化檢驗

（1）宏觀檢驗 套圈初磨后，酸洗檢驗主要是為了檢查磨削過程中，是否存在產(chǎn)品磨削加工的燒傷缺陷，但本次檢驗卻發(fā)現(xiàn)比例較大的白斑缺陷，與常規(guī)的磨削燒傷缺陷形貌完全不同；從產(chǎn)生的部位來看，同一批次的外圈及內(nèi)圈酸洗檢驗均出現(xiàn)此類現(xiàn)象，且外圈大多分布在外徑面、滾道面，內(nèi)圈大多分布在內(nèi)徑面及滾道面。外觀檢查，白斑位于套圈表面，呈大片狀或塊狀分布，形貌如圖1所示，圖1a為外圈外徑面白斑形貌，圖1b為內(nèi)圈滾道面白斑形貌。

（2）成分分析 在套圈正常部位進行取樣，原材料化學成分分析結(jié)果如表1所示，可見其主要化學成分符合《TB/T 2235—2016鐵道車輛滾動軸承》有關(guān)G20CrNi2MoA電渣重熔軸承鋼成分的技術(shù)要求。采用電子探針對外圈的白區(qū)和正常區(qū)化學成分進行分析，結(jié)果如表2所示，顯然白區(qū)的含碳量低于《JB/T8881—2011滾動軸承 零件滲碳熱處理 技術(shù)條件》規(guī)定的標準值。

圖1 套圈白斑形貌

表1 軸承套圈的主要化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表2 外圈白斑區(qū)和正常區(qū)主要化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

（3）非金屬夾雜檢驗 制取缺陷部位的金相試樣，觀察其縱向剖面非金屬夾雜物，依據(jù)G B／T10561—2005／ISO4967：1998(E)中的實際檢驗A法進行非金屬夾雜物含量評定，結(jié)果如表3所示，可見軸承零件的非金屬夾雜物級別符合《TB/T2235—2016鐵道車輛滾動軸承》的技術(shù)條件要求。

（4）淬硬層輪廓形貌 沿白斑套圈高度方向，制取缺陷套圈的金相試樣；要求既能觀察白斑區(qū)域，又能觀察正常區(qū)域的金相組織。采用4%硝酸酒精腐蝕縱截面后，軸承內(nèi)外圈縱截面淬硬層輪廓形貌如圖2所示。圖2a為外徑面白斑缺陷的外圈其縱截面的淬硬層輪廓分布形貌，圖2b為滾道面白斑缺陷的內(nèi)圈其縱截面的淬硬層輪廓分布形貌；可見無論是外圈還是內(nèi)圈，低倍下觀察，其白斑區(qū)域?qū)?yīng)的淬硬層輪廓明顯不同于正常區(qū)域，且白斑區(qū)淬硬層輪廓層深分布低于正常區(qū)淬硬層輪廓的層深分布。

（5）金相檢驗 在顯微鏡下觀察外圈及內(nèi)圈截面滲層組織形貌，如圖3所示。圖3a和3b分別代表外圈外徑截面白斑區(qū)域和正常區(qū)域500倍時的金相組織形貌，沒有觀察到差異性組織。表面組織為隱晶狀或細針狀馬氏體+均勻分布的細粒狀碳化物+少量殘留奧氏體組織構(gòu)成。按照《JB/T8881—2011滾動軸承 零件滲碳熱處理 技術(shù)條件》第五級別圖進行評定，內(nèi)外圈表層組織均為2級，合格；表面組織既沒有粗大碳化物，也沒有網(wǎng)狀碳化物。圖3c和3d分別代表內(nèi)圈滾道截面白斑區(qū)域和正常區(qū)域500倍時的金相組織形貌，也沒有看到有明顯的差異性組織。按照《JB/T8881—2011滾動軸承 零件滲碳熱處理 技術(shù)條件》進行評定，均合格。

（6）表面硬度及淬硬層深度 用維氏硬度計檢測軸承內(nèi)外圈縱截面的表面硬度及淬硬層的梯度分布，并且對軸承內(nèi)外圈的白斑區(qū)和顏色正常區(qū)域分別進行了檢測，其白斑區(qū)和正常區(qū)表面硬度及淬硬層深度對比結(jié)果如表4所示，外圈白斑區(qū)與正常區(qū)域淬硬層梯度曲線對比如圖4所示，圖4a為外圈白斑區(qū)淬硬層硬度梯度曲線，圖4b為外圈正常區(qū)淬硬層硬度梯度曲線。

表3 非金屬夾雜物級別

圖2 淬硬層輪廓形貌

圖3 內(nèi)外圈滾道截面組織形貌

2.分析與討論

為了獲得良好的滲碳質(zhì)量，大型軸承套圈大都采用推桿式連續(xù)式氣體滲碳爐進行滲碳，氣體滲碳爐除了應(yīng)滿足有效加熱區(qū)爐溫均勻度要求外，利用氧探頭、各類型的碳控儀，調(diào)整滲碳周期，從而實現(xiàn)控制爐氣碳勢，控制工件表面含碳量、滲碳層淬硬層深度、表層碳濃度梯度，滿足滲碳層金相組織、層深均勻性及表面硬度均勻性，使其達到產(chǎn)品規(guī)定的技術(shù)要求。

滲碳鋼制套圈進入推桿式連續(xù)式氣體滲碳爐生產(chǎn)線熱處理時，需要依次進入如下流程：前清洗、預氧化、加熱區(qū)、滲碳、擴散降溫、一次淬火、后清洗、低溫回火，其中置于滲碳爐內(nèi)的滲碳氣氛中，并進行加熱、滲碳、擴散，使活性碳原子吸附于工件表面并滲入表層，經(jīng)擴散達到一定的滲碳層深度和表面碳濃度，然后進行二次淬火和回火從而獲得產(chǎn)品預期的使用性能。軸承套圈滲碳工序控制好的產(chǎn)品可以獲得均勻的表面滲碳質(zhì)量，無論是內(nèi)圈還是外圈在進行二次淬回火后均可以達到所要求的表面組織，即按照《JB/T8881—2011滾動軸承 零件滲碳熱處理 技術(shù)條件》評定的合格組織，同時表面硬度及滲碳均勻性均能達到如表4要求的標準值。

從金相組織來看，對比正常區(qū)與白斑區(qū)的組織，均沒有發(fā)現(xiàn)屈氏體組織、脫碳組織的特征以及因磨削燒傷所導致的組織變化，從這一點可以說明，套圈經(jīng)二次淬火工序，軸承套圈的正常區(qū)與白斑區(qū)其二次淬火的加熱、冷卻條件是一致的，且滲碳過程及隨后的二次淬火加熱均沒有發(fā)現(xiàn)表面脫碳的特征；磨削加工過程中沒有產(chǎn)生燒傷組織，說明磨削加工工藝正常，對其表面硬度沒有產(chǎn)生不良影響，由此可以排除二次淬火工序及磨加工工序?qū)Ρ砻嬗捕燃皾B碳均勻性的影響。

用維氏硬度法檢測了同一零件不同區(qū)域處，距工件表面0.10mm表面硬度以及淬硬層層深。然而在本批次產(chǎn)品的加工過程中，實物試樣表面硬度局部沒有達到要求及同一零件的淬硬層深度也不合格（見表4實測值）；依據(jù)《JB/T10175—2008熱處理質(zhì)量控制要求》，對于推桿爐正常氣體滲碳，滲層深度極限偏差應(yīng)滿足≤±0.15mm的要求，由表4可以看出，同一零件的滲碳均勻性極限偏差顯然超出標準值。由于軸承套圈裝架時采用內(nèi)外圈套裝，均為一個滲碳爐次，因此內(nèi)外套圈均出現(xiàn)了白斑現(xiàn)象，這與滲碳時的滲層不均勻有關(guān)。滲層不均勻的表現(xiàn)為兩種：滲層深度的不均勻和滲層成分不均勻，這種缺陷都會造成零件的硬度、耐磨性、抗疲勞性能不一致，在工件的服役期會導致早期破壞。該批次缺陷樣件這兩種情況均有之。

滲碳是一個動力學過程。它包括兩個階段：一是碳原子從氣相傳遞到零件表面；二是碳原子從表面向內(nèi)部擴散。顯然在套圈白斑區(qū)的滲碳過程中，從碳原子的氣相傳遞或者表面碳原子的擴散均低于正常區(qū)域的滲碳速度。軸承套圈白斑區(qū)域滾道表面硬度較低，且滲碳層深度較淺，軸承接觸疲勞壽命會大大降低，在軸承的使用過程中易產(chǎn)生剝落引起早期失效。

表4 表面硬度及淬硬層深度對比

圖4 淬硬層梯度曲線對比

3.結(jié)語

（1）綜合以上分析，軸承套圈白斑的產(chǎn)生是套圈滲碳工序中由于滲碳不均勻?qū)е碌娜毕荨?/p>

（2）軸承套圈白斑區(qū)域相對于正常區(qū)域其滾道表面硬度降低，且滲碳層深度較淺，這將使軸承接觸疲勞壽命會大大降低，軸承在使用過程中易產(chǎn)生剝落引起早期失效。

（3）從對現(xiàn)場滲碳過程中的工藝調(diào)查可以看到，影響滲碳不均勻的原因有兩種：一種是工件入爐前的表面質(zhì)量，另一種是滲碳爐氣氛的異常，因此應(yīng)從這兩個方面加強對滲碳工序的產(chǎn)品質(zhì)量控制，避免此類缺陷的發(fā)生。