梁华 张延芳 梁林霞
（洛阳轴承研究所，河南洛阳 200331）
63/28轴承保持架形态为冲压浪形，材料为08钢，零件表面经气体氮碳共渗处理。常规工艺为：加热到570℃，保温3-4h，油冷或水冷。装配成套的轴承保存一段时间后部分轴承保持架发生断裂，其它零件均无异常。观察断口发现断裂位置都在铆钉铆合部位，为此对断裂原因进行了分析。
1 检验
从断裂保持架的轴承中任意抽取两套进行分析，编号分别为1号和2号。
1.1 保持架的金相组织
轴承保持架的金相检查在日本MG型显微镜下进行，腐蚀剂采用4%硝酸酒精溶液。其氮碳共渗层深度、表层及心部金相组织见表1及图1。
表1 断裂保持架金相检验结果
图1 氮碳共渗保持架金相组织 ×500
（a）心部组织；（b）1号保持架共渗层；（c）2号保持架共渗层；（d）2号保持架边角效应 （×100）
分析金相检验的结果可知：①保持架表面经氮碳共渗处理后氮原子已渗透，在提高表面硬度的同时，心部组织也发生了改变，见图1a。②从图1b和1c可以看出，氮碳共渗层（ε相和ν′相）过深，且存在不同程度的疏松和一定厚度的黑色带状组织，2号保持架更为严重。③2号保持架的渗氮层存在明显的不均匀现象和边角效应（见图1d）。
1.2 保持架的硬度
保持架的表层及心部硬度检测结果见表2。从表2可以看出：两件保持架的表面硬度值相差较大，根据金相检验结果推测，其数值差别可能是由于2号试样氮碳共渗层疏松较为严重，厚度不均匀以及制样时磨削量偏大，而黑色带状组织又较厚等多种原因所致。
表2 保持架表面及心部硬度
2 结果分析与讨论
2.1 氮碳共渗层深度
氮碳共渗层主要由Fe2-3N（ε相）和（ν′相）组成，硬度较高，因而提高了零件的疲劳强度和表面的耐磨性、抗蚀性能等[1]。按照工艺要求，气体氮碳共渗层深度应为0.005-0.012mm，而该批保持架的氮碳共渗层深度已达0.050mm，其主要原因可能是氮碳共渗温度较高且时间较长。氮碳共渗温度对化合物层硬度、渗层深度以及表面硬度有很大的影响，随着氮碳共渗温度的升高，化合物层厚度增加。另外，氮碳共渗温度对化合物层的不均匀性和疏松程度也有影响：温度愈高，疏松层愈厚，疏松程度也愈严重[2]，氮碳共渗处理的效果就会受到较大的影响。ε相为脆性相，极易崩落，而过深的白亮层（ε相和ν′相）必然导致保持架的脆化。
2.2 黑色组织
黑色组织是氮碳共渗层的缺陷组织，有资料认为是一种空洞，可能是由于内氧化而产生的氧化物。它一般仅分布于零件表面深度很浅的范围内。黑色组织的存在会降低零件表面的致密度，影响耐磨性能，且易于剥落，甚至发生断裂[1]。该批轴承保持架出现黑色组织是氮碳共渗温度偏高的结果，共渗时间愈长则黑色带愈宽，故硬度降低。从表1和表2可以推断出2号保持架氮碳共渗过热时间比1号长，因而白亮层及黑色带状较宽、不均匀并存在明显的边角效应（见图1c和1d），另外表面硬度也较低。
2.3 扩散层及心部组织
碳钢氮碳共渗后出炉快冷，在金相显微镜下观察其扩散层，与氮碳共渗前无明显差别。这是由于在氮碳共渗温度下渗入到扩散层中的氮均固溶于α-Fe中，在随后油冷时成为过饱和氮的α-Fe固溶体，因而看不出扩散层的深度。必须再在300℃下回火1-2h，促使氮由过饱和α-Fe中析出形成Fe4N（又称ν′相）针状分布在铁素体基体上，才能测得一定深度的氮化扩散层。但值得强调的是，在生产中采用回火法仅仅是为了显示扩散层的深度，对产品零件不宜采用回火处理，因为氮从α-Fe中脱溶后，会引起疲劳强度的下降，同时还增加了脆性[3]。据金相分析，该批轴承保持架不仅已氮碳共渗渗透至心部，而且还经历了类似于回火的过程，使铁素体基体上析出了黑色针状ν′相，见图1a和1d。
2.4 保持架的应力
冲压成型的保持架具有一定的冷加工应力，经氮碳共渗后必然会叠加一定的组织应力和热应力，尤其是保持架的铆钉铆合处。由于该部位冷冲压变形比较大，再加上铆钉铆合时所造成的应力使得该部位存在较大的残余应力，造成了应力集中。当保持架由于某种原因脆性增大时，材料的强度低于残余应力，保持架就会发生开裂，从而导致轴承早期失效。
2.5 关于保持架表面处理工艺的讨论
由于目前国内尚无轴承保持架表面处理技术条件的标准，给分析工作造成了一定的困难。据文献[4]介绍，同种类型（成分、尺寸相近，经过氮碳共渗处理）的日本保持架，其氮碳共渗层深度为0.0075mm，表面硬度及心部硬度分别为696HV0.01和171HV0.01。比较而言，该断裂保持架的渗层过深（约是日本的6倍），表面硬度偏低，而心部硬度值又偏高。结合金相组织检查和分析结果，可以确定断裂保持架的表面处理工艺确实存在诸多不足，如氮碳共渗温度过高、冷却速度较慢等。不合理的氮碳共渗工艺必然会影响保持架的使用性能和寿命。
3 结论及建议
（1）保持架氮碳共渗工艺不合理，致使渗层过深、表层硬度过低而心部硬度太高，且存在黑色带状组织，增加了保持架的脆性，导致开裂。
（2）扩散层析出的黑色针状组织是由于保持架氮碳共渗冷却速度较慢，而黑色带状组织的出现是由于氮碳共渗温度偏高造成的，2号保持架更严重一些。
（3）轴承保持架多在铆钉铆合部位开裂是由于此处应力大且比较集中，更易使脆化的保持架开裂。
（4）建议调整工艺并严防氮碳共渗温度过高，以避免不必要的损失。
参考文献：
[1]上海市机械制造工艺研究所.金相分析技术[M].上海:上海科学技术文献出版社,1987:522-523.
[2]柳祥训,等.化学热处理问答[M].北京:国防工业出版社,1991:133.
[3]上海交通大学《金相分析编写组》.金相分析[M].北京:国防工业出版社,1982:311
[4]洛阳轴承研究所.摩托车发动机曲轴轴承保持架表面处理技术研究及应用[R].1999.
来源：《金属热处理》2005年第30卷第3期
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