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20Cr2Ni4A軸承外圈裂紋原因分析及改進(jìn)措施

2018-07-09

劉輝　馬繼堂　楊曉紅

（泰爾重工股份有限公司）

　　20Cr2Ni4A鋼作為滲碳材料，特點(diǎn)是大量使用Cr、Ni提高了淬透性，改善了心部組織，滲碳后硬度及耐磨性很高，同時(shí)內(nèi)氧化傾向小，具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，一般用于制造重要零件，如重載、大模數(shù)齒等。

　　我公司生產(chǎn)的某型號(hào)的聯(lián)軸器，其軸承外圈采用的材質(zhì)為20Cr2Ni4A，經(jīng)過(guò)滲碳淬火后，在磨削過(guò)程中發(fā)現(xiàn)裂紋，報(bào)廢率達(dá)到26%。針對(duì)這一問(wèn)題，我們對(duì)20Cr2Ni4A軸承外圈進(jìn)行了深入的分析。

　　1.理化試驗(yàn)檢測(cè)
　?。?）裂紋形態(tài)檢測(cè)
　　經(jīng)磁粉著色探傷發(fā)現(xiàn)，在軸承外圈磨削面上規(guī)則排列的條狀裂紋，裂紋深度較淺，并且深度基本一致，方向垂直于磨削方向，屬于典型的類磨削裂紋，見(jiàn)圖1。

圖1 20Cr2Ni4A軸承外圈裂紋形貌

　?。?）化學(xué)成分檢測(cè)
　　使用SPECTROMAXX臺(tái)式光譜儀對(duì)開(kāi)裂的軸承外圈進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，見(jiàn)表1。

表1 20Cr2Ni4A軸承外圈化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

　　由此判斷，開(kāi)裂內(nèi)齒圈的化學(xué)成分符合GB/T3077中20Cr2Ni4A的標(biāo)準(zhǔn)。

　?。?）金相檢測(cè)
　　將開(kāi)裂的軸承外圈在裂紋處切取小試塊，試樣經(jīng)鑲嵌、磨拋處理、4%硝酸酒精腐蝕后，采用ZEISSAxioVert.A1金相顯微鏡，分析裂紋附近的組織，用金相法評(píng)定殘留奧氏體含量。由圖2可知，非裂紋面的殘余奧氏體含量有10%～18%，裂紋面由于殘留奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變，其含量有5%～10%。

圖2 開(kāi)裂軸承外圈金相組織

　　2.磨削裂紋原因分析
　　磨削裂紋的產(chǎn)生，皆有內(nèi)部應(yīng)力誘發(fā)所致。20Cr2Ni4A鋼的滲碳層是有馬氏體和殘余奧氏體組成，它們都是不穩(wěn)定的且處于膨脹狀態(tài)，磨削時(shí)產(chǎn)生的高熱使工件表面特別是砂輪與工件接觸部分的表面溫度快速升高，使得部分殘留奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，形成含碳量為0.9%～1.12%的二次淬火馬氏體。該二次淬火馬氏體的正斷抗力為600～700MPa，并且韌性極差。正是由于這種脆性大、強(qiáng)度低的相存在，導(dǎo)致在磨削過(guò)程中發(fā)生了磨裂現(xiàn)象。

　　此外，20Cr2Ni4A含Ni量較高，隨著含Ni量的增加，表層逐漸顯現(xiàn)出軸向和切向的殘留拉應(yīng)力，即組織應(yīng)力的作用愈趨顯著。這種表層殘留了殘余拉應(yīng)力的鋼，其表面對(duì)裂紋很敏感，較容易產(chǎn)生淬火裂紋。

　　3.改進(jìn)措施
　　綜合以上分析，可以認(rèn)定20Cr2Ni4A軸承外圈產(chǎn)生批量磨削裂紋的主要原因是，滲碳淬火件，表層殘留奧氏體量較多，在磨削過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)槎未慊瘃R氏體，該二次淬火馬氏體應(yīng)力較大，與其他應(yīng)力疊加超過(guò)材料脆斷抗力，導(dǎo)致磨削表面出現(xiàn)裂紋。對(duì)此，可以采取如下措施：

　　（1）通過(guò)多次低溫回火或深冷處理，減少殘留奧氏體，使殘留奧氏體量≤10%，即殘奧≤2級(jí)。

　?。?）優(yōu)化磨削工藝參數(shù)：工件轉(zhuǎn)速為38r/min、進(jìn)給速度為0.2～0.3mm/min、冷卻液進(jìn)給為20L/min。

　　4.生產(chǎn)實(shí)踐效果
　　實(shí)施改進(jìn)措施后，經(jīng)過(guò)半年多時(shí)間的生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，20Cr2Ni4A該種材質(zhì)的軸承外圈磨削裂紋得到了徹底解決，共生產(chǎn)了228件工件經(jīng)磁粉探傷檢驗(yàn)全部合格，對(duì)此種裂紋做到100%可控，提高了產(chǎn)品品質(zhì)，降低了質(zhì)量損失。

　　5.結(jié)語(yǔ)
　　（1）20Cr2Ni4A軸承外圈滲碳淬火后產(chǎn)生磨削裂紋的主要原因是由于表層殘留奧氏體量較多，在磨削過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)槎未慊瘃R氏體，該二次淬火馬氏體應(yīng)力較大，與其他應(yīng)力疊加超過(guò)材料脆斷抗力所致。

　?。?）將20Cr2Ni4A鋼滲碳淬火后殘留奧氏體量控制10%以內(nèi)，采用合理的磨削工藝，可有效地解決工件磨削過(guò)程中產(chǎn)生的磨削裂紋。

來(lái)源：《金屬加工(熱加工)》2017年21期