GCr15軸承鋼葉片環(huán)熱處理后磁粉探傷異常的原因

章寶明,尚延偉,倪 軍,張斌輝

(國家中小型軸承產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(浙江),紹興 312500)

GCr15軸承鋼是一種合金含量少、具有良好性能、應(yīng)用最廣泛的高碳鉻軸承鋼，經(jīng)過淬火+回火處理后具有高硬度、良好耐磨性等優(yōu)點，廣泛用于軸承內(nèi)外圈、滾動體、軸套、沖模等對耐磨蝕性能要求高的結(jié)構(gòu)件，以及制作承受大負(fù)荷的小截面零件(經(jīng)調(diào)質(zhì)處理)和應(yīng)力較小的大型零件(經(jīng)正火處理)。

鹽浴爐加熱速度快，溫度均勻，工件始終處于鹽液內(nèi)加熱，出爐時其表面會附著一層鹽膜。對于加熱溫度和表面質(zhì)量要求較高的工件，常采用鹽浴爐加熱。常用的中性鹽浴加熱用鹽主要包括氯鹽、碳酸鹽和硝酸鹽三大類。氯鹽常用的有氯化鈉、氯化鉀，主要用于中溫加熱，氯化鋇主要用于高溫加熱。碳酸鹽常用的有碳酸鈉、碳酸鈣等。硝酸鹽主要用于低溫加熱，也可用作淬火介質(zhì)。

某公司生產(chǎn)的GCr15軸承鋼葉片環(huán)屬于承受負(fù)荷較大的小截面零件，其尺寸見圖1。該零件為環(huán)形，在熱處理過程中極易變形，采用夾具緊固、鹽浴淬火的方式進(jìn)行淬火處理后，平面度由50 μm降到10 μm以下，圓度由40 μm降到20 μm以下。但是，在后續(xù)磁粉探傷過程中，該葉片環(huán)外表面沿軸向發(fā)生磁粉聚集現(xiàn)象。筆者通過化學(xué)成分分析、宏觀觀察、顯微組織觀察和能譜分析等方法，分析了該葉片環(huán)外表面發(fā)生磁粉聚集的原因。

圖1 葉片環(huán)的尺寸示意

1 理化檢驗

1.1 化學(xué)成分分析

采用ARL4460型直讀光譜儀檢測該葉片環(huán)的化學(xué)成分。由表1可見，其化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18254-2016《高碳鉻軸承鋼》中對GCr15軸承鋼的技術(shù)要求。

表1 GCr15軸承鋼葉片環(huán)的化學(xué)成分

1.2 宏觀觀察

采用蔡司Stemi 2000-C型體視顯微鏡，觀察該葉片環(huán)側(cè)面磁粉聚集處的宏觀形貌。由圖2可見，該葉片環(huán)側(cè)面沿軸向可見線條狀磁粉聚集現(xiàn)象，將其擦拭后，外表面無肉眼可見的磁粉聚集現(xiàn)象，推測該缺陷位于零件產(chǎn)品內(nèi)部。

圖2 葉片環(huán)側(cè)面磁粉聚集處的宏觀形貌

1.3 金相檢驗

在該葉片環(huán)磁粉聚集處截取剖面試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋后，用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精浸蝕，采用蔡司Axio observer.A1m型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。由圖3可見，在距該葉片環(huán)側(cè)面8.9 μm深度處存在黑色點狀缺陷，缺陷長度約為146 μm。

圖3 葉片環(huán)磁粉聚集處內(nèi)部缺陷的微觀形貌

1.4 能譜分析

采用EM-30AX型能譜儀(EDS)，對該葉片環(huán)黑色點狀缺陷處和基體處進(jìn)行元素分析。由圖4可見，基體處未檢測到氯元素，黑色點狀缺陷處存在氯元素。

圖4 該葉片環(huán)基體處和黑色點狀缺陷處的EDS譜

2 分析與討論

由化學(xué)成分分析結(jié)果可知，該葉片環(huán)的化學(xué)成分符合GB/T 18254-2016標(biāo)準(zhǔn)對GCr15鋼的技術(shù)要求。通過宏觀觀察和金相檢驗結(jié)果可知，在距葉片環(huán)側(cè)面8.9 μm深度處有黑色點狀缺陷，缺陷長度約為146 μm。通過能譜分析結(jié)果可知，基體處未檢測到氯元素，而缺陷處存在氯元素，推測該缺陷為腐蝕坑。該葉片環(huán)其余位置未發(fā)生腐蝕或發(fā)生輕微腐蝕。

氯離子是一種強腐蝕性離子，被稱為點蝕的“激發(fā)劑”。氯離子半徑小、穿透能力強，常從鈍化膜破損處滲入，與金屬離子發(fā)生反應(yīng)，形成強酸溶解鈍化膜，從而強烈地吸附在金屬表面[1]。

在熱處理過程中，工件變形是一種不可避免的現(xiàn)象。淬火時，高溫工件放入冷卻劑中會產(chǎn)生收縮。工件截面各部分的冷卻是有先后的，工件表面先冷卻、先發(fā)生收縮，工件中心后冷卻、后發(fā)生收縮，工件表面收縮就必然受到中心部分的牽制。

薄壁環(huán)狀工件一般需要采用專用夾具緊固，并沿軸向垂直浸入淬火冷卻劑，以減輕或防止工件產(chǎn)生翹曲變形[2]。該批葉片環(huán)采用夾具緊固的方式進(jìn)行淬火處理，淬火介質(zhì)易殘留在葉片環(huán)之間的間隙中且較難清洗，淬火介質(zhì)中殘留的氯離子在該處誘發(fā)腐蝕，進(jìn)而形成點蝕坑。

3 結(jié)論及建議

(1)該葉片環(huán)采用多只疊加及夾具緊固的方式進(jìn)行淬火處理，淬火介質(zhì)易殘留在葉片環(huán)之間的間隙中且較難清洗，淬火介質(zhì)中殘留在該處的氯離子誘發(fā)腐蝕，進(jìn)而形成點蝕坑，造成磁粉聚集現(xiàn)象。

(2)建議先拆除夾具，再清除葉片環(huán)之間的淬火液殘留物。