带支柱孔渗碳钢滚子内裂分析

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Analysis on Internal Crack of Case-Hardened Steel Roler、 th Central HoleYan De - ，Tao Hui-fang ，Hao Peng ，Xie Er-qing(1.Xibei Beating Co.，Ltd.，Yinchuan 750021，China；2.School of Physical Science and Technology。

Lanzhou University，Lanzhou 730000，China)Abstract：The intemal crack of case-hardened steel roller with central hole are analyzed by using macroscopic obser-vation，hardness inspection，metallographie examination and fracture analysis.The resuhs show that the hairline is themost important reason.The propagation mechanism is discussed for hairline under quenching stress。

Key words：roler beating；roller；central hole；case-hardened steel；internal crack；hairline；stressG20Cr2Ni4A渗碳钢常用于制作轧钢机和承受重载荷冲击的特大型轴承，但渗碳钢滚子内裂不易发现，成为产品质量的隐患，从而给企业造成不必要的经济损失，因此十分有必要对滚子内裂原因进行分析。滚子内裂的常见原因主要有材料本身的缺陷和热处理工艺不当等。以生产过程中发现的-批内裂较多的带支柱孔圆锥滚子为例，分析其内裂原因。

1 滚子加工工艺滚子材料为 G20Cr2Ni4A渗碳钢，并且为电炉钢，滚子尺寸为 63.5 mm× 60.919 mm x 77.07mm，内孔为 20 film。主要加工路线为：校直钢棒-车外径、切断-细车端面、倒圆角-钻孔-软磨外径-深层渗碳(940℃ x 60 h)-淬火(860-880 oC，油温80～100 cC) 高温回火(680℃ ×24 h，收稿日期：2012-12-07；修回日期：2013-叭 -30基金项 目：国家自然科学基金资助项 目(11204114)作者简介：闫德(1981-)，男，讲师，主要从事轴承开裂机理分析及纳米材料方面的工作。E-mail：yand###lzu.edu.an。

620 oC×24 h)-二次淬火-低温回火-粗磨-附加回火(150 oC)-细磨-精磨-磁粉探伤-终磨-分组-涂油包装。

2 检验与分析2.1 宏观观察滚子形貌如 图 1 a所示。经磁粉探伤后发现 ，外表面无明显聚磁现象，而支柱孔内表面有3处出现 明显 聚磁，且聚磁方向均沿滚子 的轴向，如图 1b所示。采用线切割的方法将滚子横向切开，经热酸洗后发现横切面上有 2条未贯通内、外表面的放射状裂纹 ，如图 112所示 ，说明滚子发生了内裂 ，开裂面在内、外表面之间。由于开裂面距内表面较近，漏磁较多 ，故内表面有明显磁痕；外表面漏磁较少，未发现明显聚磁现象。

2.2 化学成分分析采用德国GVM-1014S原子发射直读光谱仪对内裂滚子样品进行化学成分分析，结果见表 1。

由表 1可知，内裂滚子化学成分符合 GB 3203-1982(渗碳轴承钢技术条件》要求。

闰德 ，等：带支柱孑L渗碳钢滚子内裂分析 ·35·臣0 疆x射线光子能量/keV(a)缺陷内、外基体的EDSX射线光子能量/keV(b)缺陷内异物的EDS图7 样品缺陷内、外的 EDS图性 J，并且发纹距表面深度越深，尖端曲率半径越小，应力集中越大。形成发纹的非金属夹杂物可分为可变形的夹杂物和不可变形的夹杂物，-般来说，不可变形的非金属夹杂物危害更大 J，更容易成为裂纹源。而所观察到的发纹就是由不可变形的非金属夹杂物氧化铝形成的内部发纹。

根据 GB 3203-1982，G20Cr2Ni4A属于高级优质钢，不允许发纹存在。然而样品中却存在-条5.77 mm的发纹，且发纹内存在大量非金属夹杂物氧化铝。这表明样 品材质有严重 的冶金缺陷，不符合标准要求。

工件的内裂往往并非由单-因素导致。对所分析的滚子样品来说，发纹是内裂的最主要原因，而渗碳钢在淬火过程中特殊的应力是内裂的诱因。

渗碳钢滚子在渗碳之后必须要进行淬火，以增加其硬度和强度。钢的马氏体转变温度(即 Ms点)随含碳量的升高而降低。由于渗碳层的存在，含碳量在外表面处最高，然后随着距表面距离的增加而逐渐降低，心部没有渗碳的地方含碳量最低。相应地，心部的 Ms点最高，越靠近表面则 Ms点越低。由于心-t部的Ms点最高，淬火时随着温度的快速降低，心部首先达到 Ms点。故相变时心部首先相变为马氏体，从而产生体积膨胀。而此时内、外表面由于 Ms点较低 ，尚未开始相变，由于温度的降低，体积反而略微变校这使内、外表面产生塑性拉伸，而心部则被塑性压缩。随着温度的进-步降低，马氏体相变扩展至内、外表面区域，内、外表面区域因转变为马氏体而体积膨胀，但却受到心部已相变区域的阻碍而使内、外表面呈压应力状态，而心部已相变区域则由于内、外表面区域体积的膨胀而呈拉应力状态。因此，渗碳钢淬火后的残余应力为：表面压应力，心部拉应力 J。

由于渗碳钢心部为拉应力状态，若敲心部存在裂纹源，则裂纹源很可能会在瞬间强大的拉应力作用下失稳扩展，发展成内裂或断裂。对所分析的这批滚子而言，心部均存在或长或短的发纹，在心部拉应力的作用下发纹两端会产生应力集中，从而导致发纹失稳扩展而发展为内裂。

开裂面并没有穿过渗碳层可能是由于以下原因：(1)当内裂扩展至渗碳层时，内部开裂已经在很大程度上释放了心部拉应力，裂纹失去了扩展的动力条件；(2)表面渗碳层呈压应力状态，可阻止裂纹扩展；(3)渗碳层硬度和强度都很高，不易开裂。

4 结论(1)滚子材料中冶金缺陷的存在--发纹是其内裂的主要原因，发纹在淬火过程中由于心部拉应力的作用导致失稳扩展而成为内裂。渗碳钢特殊的淬火应力是滚子内裂的次要原因。

(2)对于大尺寸滚子，建议选用氧含量低、洁净度高、无发纹的电渣重熔钢，以避免淬火内裂的产生。