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轴承知识
钢球表面缺陷分析
2010-07-23梁华，谢倩，梁林霞
(洛阳轴承研究所)
(洛阳轴承研究所)
摘 要：通过对钢球的质量分析认为，钢球表面存在有锈蚀及金属疲劳层。由于这些缺陷在热处理工序中会导致钢球表面严重脱碳及淬火开裂，因而是造成钢球废品的根本原因。
关键词：脱碳；锈蚀；疲劳层；淬火；裂纹
某企业生产的尺寸为3/16″钢球，系用ZGCr15钢制造，采用无保护气氛热处理炉淬回火后发现有部分钢球表面有类似于裂纹的缺陷，要求分析其产生的原因。
1 缺陷的宏观特征
由于未经硬磨的钢球表面缺陷难以辨认，为此取一定数量的钢球，按照JB/T1225-2001标准的附录C所规定的检查规程进行热酸洗，结果发现有25%的钢球表面有裂纹，形状呈“J”字形和“S”形。
2 显微分析
2.1 钢球热处理前状态分析
未淬火的钢球的退火组织按JB/T1255—2001级别图评为2～3级，为合格组织。钢球表面未发现有脱贫碳，但却有形状各异的锈蚀坑，深度约0105mm，见图1。另外还发现个别钢球表面存在有金属疲劳层(或称疏松层)，见图2。
关键词：脱碳；锈蚀；疲劳层；淬火；裂纹
某企业生产的尺寸为3/16″钢球，系用ZGCr15钢制造，采用无保护气氛热处理炉淬回火后发现有部分钢球表面有类似于裂纹的缺陷，要求分析其产生的原因。
1 缺陷的宏观特征
由于未经硬磨的钢球表面缺陷难以辨认，为此取一定数量的钢球，按照JB/T1225-2001标准的附录C所规定的检查规程进行热酸洗，结果发现有25%的钢球表面有裂纹，形状呈“J”字形和“S”形。
2 显微分析
2.1 钢球热处理前状态分析
未淬火的钢球的退火组织按JB/T1255—2001级别图评为2～3级，为合格组织。钢球表面未发现有脱贫碳，但却有形状各异的锈蚀坑，深度约0105mm，见图1。另外还发现个别钢球表面存在有金属疲劳层(或称疏松层)，见图2。
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图1 钢球表面的锈蚀坑 (360×)
图2 钢球表面的金属疲劳层 (500×)
图2 钢球表面的金属疲劳层 (500×)
2.2 淬回火后状态分析
任取一粒有裂纹的钢球(未经酸洗)经磨制后在显微镜下观察，发现裂纹Z深达1.3mm，裂纹方向及形态见图3。另外，钢球表面有严重的脱贫碳，深为0.25～0.35mm；其中全脱碳0.05～0.07mm且已存在微裂纹，见图4。
图3 钢球表面的裂纹 (34×)
图4 钢球表面的脱碳层 (300×)
图4 钢球表面的脱碳层 (300×)
任取一粒无裂纹的钢球进行分析，发现钢球表面也存在厚薄不均的脱碳层，总脱碳层深为0.10～0.18mm，其中全脱碳层深为0.07～0.10mm，与有裂纹的钢球相比脱碳要轻些，说明脱碳层深度是影响钢球开裂与否的一个重要因素。
钢球的淬回火组织按JB/T1255-2001标准第二级别图评为3级，为合格组织，说明热处理工艺选择适当。
3 结果分析
3.1 钢球表面产生裂纹的原因
钢球在生产过程中的各个工序都留有残余应力，如锉削应力、热应力和组织应力等。这些应力相互叠加，一旦超过钢球表面材料的抗拉强度，钢球就会开裂。显微分析结果表明经热处理后的钢球表面均有严重的脱碳层。由于脱碳层强度较低，而全脱碳的铁素体又极容易产生沿晶微裂纹，又一方面，表面脱碳使钢球淬火时形成高的表面拉应力。所以，表面脱碳的钢球极易开裂。为此，建议尽量采用保护气氛加热以避免脱碳。
3.2 造成钢球表面严重脱碳的原因
钢球在锉削、软磨时，若锉板钝化，钢球在两板间几乎处于往返的挤压搓揉作用，尺寸消耗很慢，这样时间长了以后，钢球表面就产生加工疲劳层，也可称为金属疲劳层或疏松层。该层加热时极易脱碳，深层的脱碳必然导致淬火开裂。通常情况下，软磨后的钢球在热处理前都会得到妥善处理，一般是将钢球放在箱式炉中进行去应力退火，这样既可以去除软磨所造成的应力，同时也可以去除钢球表面的水分，以防锈蚀。
从以上显微分析的结果可知，该批3/16″钢球未经热处理时表面就存在有较为严重的锈蚀坑和金属疲劳层。由于这些缺陷的致密性较差，再加上热处理时采用的是无保护气氛设备，因此必然会造成严重的脱碳层。另外，金属疲劳层的存在也加剧了钢球表面的锈蚀程度。
钢球的淬回火组织按JB/T1255-2001标准第二级别图评为3级，为合格组织，说明热处理工艺选择适当。
3 结果分析
3.1 钢球表面产生裂纹的原因
钢球在生产过程中的各个工序都留有残余应力，如锉削应力、热应力和组织应力等。这些应力相互叠加，一旦超过钢球表面材料的抗拉强度，钢球就会开裂。显微分析结果表明经热处理后的钢球表面均有严重的脱碳层。由于脱碳层强度较低，而全脱碳的铁素体又极容易产生沿晶微裂纹，又一方面，表面脱碳使钢球淬火时形成高的表面拉应力。所以，表面脱碳的钢球极易开裂。为此，建议尽量采用保护气氛加热以避免脱碳。
3.2 造成钢球表面严重脱碳的原因
钢球在锉削、软磨时，若锉板钝化，钢球在两板间几乎处于往返的挤压搓揉作用，尺寸消耗很慢，这样时间长了以后，钢球表面就产生加工疲劳层，也可称为金属疲劳层或疏松层。该层加热时极易脱碳，深层的脱碳必然导致淬火开裂。通常情况下，软磨后的钢球在热处理前都会得到妥善处理，一般是将钢球放在箱式炉中进行去应力退火，这样既可以去除软磨所造成的应力，同时也可以去除钢球表面的水分，以防锈蚀。
从以上显微分析的结果可知，该批3/16″钢球未经热处理时表面就存在有较为严重的锈蚀坑和金属疲劳层。由于这些缺陷的致密性较差，再加上热处理时采用的是无保护气氛设备，因此必然会造成严重的脱碳层。另外，金属疲劳层的存在也加剧了钢球表面的锈蚀程度。
