师红旗1，张洪俊2，丁毅1，马立群1
（1.南京工业大学材料科学与工程学院，江苏南京 210009；2.攀钢成都钢铁有限公司钢管研究所，四川成都 610000）
摘 要：对大型轴承钢球在淬火过程中的开裂进行了失效分析，采用宏微观形貌、化学成分、金相显微组织分析、硬度测试、SEM微观断口形貌等手段，分析了钢球开裂的原因。结果表明，钢球开裂为淬火开裂，淬火温度过高是导致淬火钢球开裂的主要原因。
关键词：轴承钢球；淬火；开裂
随着科技的迅速发展，装备制造业对重型大型轴承的要求日益提高，对轴承钢球的尺寸也提出了更高的要求[1]，随轴承直径增大，钢球直径也远大于100mm。某轴承钢球制造厂制造的准150mm轴承钢球在淬火过后发现开裂，为分析其开裂原因，对开裂后的钢球进行了失效分析。
1 试样制备和实验方法
首先对开裂后的钢球断口进行宏观形貌分析和低倍检验，然后采用线切割对开裂钢球进行取样，进行化学成分分析、金相组织分析、硬度测试、扫描电镜断口形貌分析，以确定钢球开裂的原因。
2 实验结果与分析
2.1 宏观形貌分析及低倍检验
宏观分析发现钢球沿直径方向开裂。用游标卡尺测量Z大尺寸处的断面在150mm左右。钢球的断口面形态见图1（a）；在与主断口垂直方向有裂纹，见图1（b）。可见，是由几条不同取向的裂纹共同扩展致使钢球破裂的。断口在球的外侧，细而平，而内层较粗糙，根据裂纹的扩展方向可以看出，裂纹是由外表面形成后向内扩展。70℃热盐酸浸洗后的低倍组织未见肉眼可见的冶金缺陷，钢的组织致密。
2.2 化学成分分析
从钢球上线切割取样，磨光后经直读光谱分析其成分，结果见表1。冶金行业规定的化学成分标准[2]见表1，可见钢球化学成分符合要求。
2.3 硬度试验
用洛氏硬度试验机从两个不同方向，分别标记为1#和2#。由于Z外表面的硬度无法测量，因此从距外表面10mm处作为个测量点，每隔10mm测量开裂钢球从表面至近心部的洛氏硬度，结果见表2。个方向从表面至心部约20mm处出现硬度降低；第二个方向在30mm处出现硬度降低。从硬度结果可以看出，钢球在每边的淬硬深度不相同，说明淬火过程中冷速不均匀。
2.4 金相检验
开裂钢球的金相显微组织照片见图2。图2（a）为自钢球表面至心部约15mm深度范围的组织，为粗大的马氏体+少量珠光体组织[3]，在多处发现沿晶裂纹；图2（b）为钢球心部组织。在接近心部处，组织为粗大的马氏体+沿晶分部的珠光体。钢球的组织粗大，且淬硬深度很深，根据沿晶珠光体网所包围的面积评定其奥氏体晶粒度为1.0级。如此粗大的晶粒和粗大的组织说明钢球淬火时的温度过高。
开裂的钢球在未侵蚀状态，检验钢球的非金属夹杂物，未发现集中分布的夹杂，且分散分布的夹杂级别相当低，说明制造钢球的钢材材质良好。
2.5 SEM微观断口形貌观察
钢球的SEM微观断口形貌照片见图3。可看出，钢球断口的微观形貌为具有“冰糖”状形貌的沿晶断口[4]，但又与纯粹的沿晶断口不同，在局部晶界处存在熔化现象、沿晶裂纹和球状氧化物，这说明钢球微观断口形貌显示过热特征，即钢球在淬火时的温度过高造成淬火裂纹。沿晶的短裂纹是尚未扩展至表面的内部应力裂纹。
3 钢球开裂原因分析
宏观分析结果表明由内向外的多条裂纹共同导致钢球开裂，金相组织和SEM观察结果表明钢球有过烧组织，晶粒粗大，并且有珠光体相，说明钢球在淬火过程中加热温度过高，同时冷却速度不均匀；硬度测试结果表明钢球在不同方向上冷却速度不均匀。
综上所述，由于钢球淬火加热温度过高，随后冷却速度不均匀，冷却速度快的地方首先形成马氏体，体积膨胀，由于晶界处过烧形成裂纹发生开裂，并且沿晶界向内发展，Z终导致钢球开裂。
4 结语
（1）制造钢球的材质良好，未检测出冶金缺陷和集中分布的夹杂。
（2）钢球开裂是由淬火裂纹引起的，是过热温度高使马氏体粗化、变脆的结果。
（3）金相检验观察到的沿晶裂纹、粗大的马氏体组织以及晶界局部熔化现象都表明钢球淬火温度过高。
（4）硬度测试表明，淬火过程中冷却不均匀，增大淬裂的倾向。
（5）SEM观察发现呈冰糖状的微观断口形貌和晶界过烧，这也说明淬火温度过高。
参考文献：
[1]那卓，张武虎.大型轴承钢球的制造[J].轴承，2008，（1）：21-22.
[2]YB/T091-2005，锻（轧）钢球[S].
[3]胡光立，谢希文.钢的热处理（原理和工艺）[M].西安：西北工业大学出版社，2004.42.
[4]钟群鹏，赵子华.断口学[M].北京：高等教育出版社，2006.200.
来源：《热加工工艺》2010年02期
