高温轴承钢钢球表面缺陷分析_刘秀莲
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2015 年 8 月 第 10 卷 第 4 期
失效分析与预防
August，2015 Vol． 10，No． 4
高温轴承钢钢球表面缺陷分析
刘秀莲，班 君，罗 燕，刘 明
（ 中航工业哈尔滨轴承有限公司，哈尔滨 150027）
［摘 要］7 /8″（ 22． 225 mm） 高温轴承钢钢球在精研工序检查中发现，有若干钢球表面有微小的黑点和麻点。采用碳硫分析
仪、等离子光谱仪、洛氏硬度计、维氏硬度计、金相显微镜、激光共聚焦显微镜及能谱仪对钢球的原材料、显微组织、硬度等进
行检验分析，以确定其表面缺陷性质及产生的原因。结果表明： 钢球表面点状或麻点状小黑点缺陷为腐蚀斑点，并非钢球加
工过程中产生的机械加工缺陷。黑点缺陷是由于钢球存放的库房环境比较潮湿而腐蚀的，是钢球疲劳剥落的疲劳源，必须
YB 4105—2000 标准的不大于 1． 0 级要求。
表 1 8Cr4Mo4V 非金属夹杂物检验结果 Table 1 Ｒesults of non-metallic inclusion for 8Cr4Mo4V steel
Item
Measured value Standard（ Grade，≤）
上，由此可知，钢球是轴承中最薄弱的零件，每一 种缺陷都可能导致钢球在运转过程中产生疲劳 剥落。
磨损、断裂与腐蚀并称为金属失效的 3 种形 式。腐蚀是滚动轴承最严重的问题之一，高精度 的轴承可能会由于表面锈蚀导致精度丧失而不能 继续工作。有些滚动轴承在实际运行当中不可避 免地要接触到水、水汽以及腐蚀介质等，这些物质 会引起滚动轴承的生锈和腐蚀，最终引起滚动轴 承的失效。早在 1994 年，洛阳轴承研究所的赵传 国 等［1］ 的 文 献 中 就 有 提 及，“航 天 工 程 中 某 精 密 仪器在试运转中性能不稳定，经反复测试检查，发 现其中的轴承转动性能不正常，经轴承拆套检查 才发现，轴承中的 1 /16″钢球表面有很多微小的黑 点和一定深度的小坑，经分析确定钢球表面点状
热加工折叠、淬火裂纹、砂轮挤伤、腐蚀斑点、软磨 金属疲劳等，由于机械加工、生锈腐蚀或原材料所 引起的露在钢球表面上的斑点、麻点、划条、擦痕、 凹坑等统称为表面缺陷［2-3］。
公称直径为 7 /8″（ 公制为 22． 225 mm） 高温轴 承钢钢球在精研工序检查中发现，钢球表面有很 微小的黑点和麻点。钢球材质为 8Cr4Mo4V，其 加工流程及部分参数为： 原材料车制成料段→热 冲压成型（ 加热温度（ 930 ± 15 ） ℃ ，保温 25 ～ 30 min） →球化退火→光球→软磨Ⅰ→热酸洗 100% 检查→软磨Ⅱ→热处理（ 真空热处理，淬火加热 温度 1 090 ℃ ，保温 48 ～ 50 min，3 次回火及冷处 理） ［4］→硬磨→冷酸洗 100% 检查→稳定处理→
50 μm
图 2 钢球缺陷深度测量 Fig． 2 Size and depth of the steel ball
2 钢球材质及缺陷的检验与分析
2． 1 原材料检验 抽取制造此批钢球的原材料，采用碳硫分析
仪、等离 子 光 谱 仪 等 进 行 化 学 成 分 分 析，通 过 MＲ5000 金相显微镜进行非金属夹杂物的检验， 其检 验 结 果 见 表 1。钢 材 的 化 学 成 分 符 合 YB 4105—2000 标 准［5］ 要 求，非 金 属 夹 杂 物 均 符 合
LIU Xiu-lian，BAN Jun，LUO Yan，LIU Ming
（ AVIC Harbin Bearing Co．，Ltd．，Harbin 150027，China） Abstract： Tiny black spots and pits were found on the surface of the high-temperature bearing steel ball of 7 /8″（ 22． 225 mm） in inspection during lapping process． The causes and nature of the surface defects were analyzed with a carbon sulfur analyzer， plasma spectrometer，Ｒockwell hardness tester，Vicker hardness tester，metallographic microscope，confocal laser scanning microscope and energy spectrometer． The material，microstructure and hardness were tested． The results show that tiny black spots and pits on steel ball surface are corrosion pits，not machining defects． Black spot defects formed due to corrosion in wet environment while the steel balls were stored in the warehouse． Black spot defects can act as fatigue source，so they must be prevented and controlled． Key words： steel ball； defect； black spot； corrosion pit； mechanism
［收稿日期］2015 年 4 月 20 日 ［修订日期］2015 年 7 月 2 日 ［作者简介］ 刘秀莲（ 1964 年 － ） ，女，高级工程师，主要从事轴承热处理工艺等方面的研究。
第4 期
刘秀莲，班 君，罗 燕，等： 高温轴承钢钢球表面缺陷分析
259
或麻点状小黑点缺陷为氧化锈斑”。 钢球缺陷主要有原材料表面裂纹、冷冲压和
粗研→精研→超精研。 针对高温轴承钢钢球表面黑点和麻点缺陷，
采用碳硫分析仪、等离子光谱仪、洛氏硬度计、维 氏硬度计、金相显微镜、激光共聚焦显微镜及能谱 仪对钢球的原材料、显微组织、硬度及生产工艺进 行检验分析，以确定其表面缺陷原因及性质。
1 钢球缺陷宏观形貌
将有黑点缺陷的钢球采用超声波清洗、烘干， 然后放置在激光共聚焦显微镜中对钢球表面的缺 陷进行观察。图 1a 为钢球黑点形貌，分布无规 则，深浅不一； 黑点缺陷三维（ 3D） 形貌特征见图 1b，缺陷范围为 320 μm × 256 μm。黑点缺陷最大 直径约 32 μm，深度约 7 μm（ 图 2） 。
表 3 钢球硬度梯度 Table 3 Hardness gradient of the steel ball
Distance from the edge / mm
Measured value / HV1
0． 1 0． 2 0． 3 0． 4 0． 5 0． 6 0． 7 0． 8 0． 9 1． 0 1． 1 1． 2 1． 3 1． 4 1． 5 1． 6 1． 7 1． 8 1． 9 2． 0 772 774 775 770 777 774 771 776 781 775 777 774 777 780 779 776 777 780 776 775
20 μm
20 μm
图 3 钢球显微组织 Fig． 3 Microstructure of the steel ball
图 4 钢球表面显微组织 Fig． 4 Microstructure of the steel ball surface
2． 4 能谱分析 通过对钢球缺陷区域的微区成分分析，分析
结果如图 5 所示。由图可知，O 元素的峰值很明
2850—2007 的要求，说明钢球硬度均匀，无软点。 2． 3 金相检验
将钢球磨制成金相试样，用 4% （ 质量分数） 的硝酸酒精溶液腐蚀后，放置在 Axiovert200MAT 金相显微镜下进行观察，其淬回火显微组织见图 3。按照 JB / T 2850—2007 标准要求对其淬回火 组织进行检验评级，显微组织为 3 级，符合要求。 通过对钢球表面黑点缺陷的显微组织观察 （ 图 4） ，晶界或毗邻区域并没有发生局部腐蚀，且沿 着或紧挨着材料的晶界处也没有向内部发展的腐 蚀现象，更没有发现晶粒脱落的痕迹，因此可以判 定钢球表面缺陷不是晶间腐蚀［7］。
0 引言
球轴承 是 支 承 各 种 机 械 旋 转 部 件 的 关 键 元 件，钢球是球轴承中承载载荷的重要组成部分，是 球轴承中最关键的零件之一，钢球质量的优劣直 接影响着轴承的使用寿命和可靠性。由于钢球表 面缺陷，会使轴承旋转时经常产生振动和噪声，缺 陷越大，振动值越大。轴承长时间工作使钢表面 缺陷边缘的金属首先疲劳，出现显微裂纹，裂纹逐 步扩大而脱落，直至造成轴承早期报废。表面缺 陷会增大轴承摩擦力矩，因为在轴承工作过程中， 负荷点经过缺陷时要消耗一定的能量，以克服缺 陷的阻力。大量试验证明，在疲劳破坏的轴承中， 由于钢球首先破坏而引起轴承报废的占 60% 以
预防和控制。
［关键词］ 钢球； 缺陷； 黑点； 腐蚀斑点； 机理
［中图分类号］ TG115
［文献标志码］ A
doi： 10． 3969 / j． issn． 1673-6214． 2015． 04． 013
［文章编号］1673-6214（ 2015） 04-0258-05
Surface Defect Analysis of High-temperature Bearing Steel Ball
Oxide 0． 5 1． 0
Non-metallic inclusion
Sulfide Dotnot deforming inclusion
0． 5
0
1． 0
1． 0
2． 2 硬度检验 取 3 颗有黑点缺陷的钢球，分别编号 A、B 和
260
失效分析与预防
第 10 卷
C。采用 HＲ-150G 洛氏硬度计进行表 面 硬 度 测 试，每粒钢球测试 3 点，结果见表 2。由表 2 可 知，钢球硬度符合 JB / T 2850—2007 标准［6］要求。
表 2 钢球表面硬度 Table 2 Surface hardness of the steel ball
HＲC
Ball number A B C
62． 5 62． 0 62． 5
Measured value 62． 5 62． 5 62． 0
62． 5 62． 5 62． 5
将 A 钢球用线切割机沿心部切开，磨制成金 相试样后用 TUKON2500 维氏硬度计进行硬度梯度 测试，结果见表 3。由表可知，钢球硬度符合 JB / T
图 5 钢球缺陷区域的能谱成分分析谱线及各元素含量 Fig． 来自百度文库 Micro area composition and element of the defect steel ball
第4 期
刘秀莲，班 君，罗 燕，等： 高温轴承钢钢球表面缺陷分析
261
3 钢球表面黑点缺陷的验证
挑选同样材质的 15 /32″（ 11． 906 mm） 钢球， 并在材料与热处理质量合格的情况下，将钢球放
50 μm (a) Morphology of black spots
33.000 16.500 0.0u0m040.000
384.000
128.000 um 0.000
160.000 320.000
480.000
640.000
(b) 3D morphology of defect
图 1 钢球缺陷形貌 Fig． 1 Defect morphology of the steel ball
显，且占有较大的比例。这说明黑点内氧化锈蚀 的可能性很大。
KCnt
5.1
Fe
4.0
Fe
3.0
2.0
1.0
Mo
Si O
Cr
C
Cl
V
0
2 4 6 8 10 12 14 16
Energy /keV
Element C O Si Mo Cl V Cr Fe
Mass fraction /% 3.81 2.38 0.62 3.78 0.23 0.70 4.27 84.21
失效分析与预防
August，2015 Vol． 10，No． 4
高温轴承钢钢球表面缺陷分析
刘秀莲，班 君，罗 燕，刘 明
（ 中航工业哈尔滨轴承有限公司，哈尔滨 150027）
［摘 要］7 /8″（ 22． 225 mm） 高温轴承钢钢球在精研工序检查中发现，有若干钢球表面有微小的黑点和麻点。采用碳硫分析
仪、等离子光谱仪、洛氏硬度计、维氏硬度计、金相显微镜、激光共聚焦显微镜及能谱仪对钢球的原材料、显微组织、硬度等进
行检验分析，以确定其表面缺陷性质及产生的原因。结果表明： 钢球表面点状或麻点状小黑点缺陷为腐蚀斑点，并非钢球加
工过程中产生的机械加工缺陷。黑点缺陷是由于钢球存放的库房环境比较潮湿而腐蚀的，是钢球疲劳剥落的疲劳源，必须
YB 4105—2000 标准的不大于 1． 0 级要求。
表 1 8Cr4Mo4V 非金属夹杂物检验结果 Table 1 Ｒesults of non-metallic inclusion for 8Cr4Mo4V steel
Item
Measured value Standard（ Grade，≤）
上，由此可知，钢球是轴承中最薄弱的零件，每一 种缺陷都可能导致钢球在运转过程中产生疲劳 剥落。
磨损、断裂与腐蚀并称为金属失效的 3 种形 式。腐蚀是滚动轴承最严重的问题之一，高精度 的轴承可能会由于表面锈蚀导致精度丧失而不能 继续工作。有些滚动轴承在实际运行当中不可避 免地要接触到水、水汽以及腐蚀介质等，这些物质 会引起滚动轴承的生锈和腐蚀，最终引起滚动轴 承的失效。早在 1994 年，洛阳轴承研究所的赵传 国 等［1］ 的 文 献 中 就 有 提 及，“航 天 工 程 中 某 精 密 仪器在试运转中性能不稳定，经反复测试检查，发 现其中的轴承转动性能不正常，经轴承拆套检查 才发现，轴承中的 1 /16″钢球表面有很多微小的黑 点和一定深度的小坑，经分析确定钢球表面点状
热加工折叠、淬火裂纹、砂轮挤伤、腐蚀斑点、软磨 金属疲劳等，由于机械加工、生锈腐蚀或原材料所 引起的露在钢球表面上的斑点、麻点、划条、擦痕、 凹坑等统称为表面缺陷［2-3］。
公称直径为 7 /8″（ 公制为 22． 225 mm） 高温轴 承钢钢球在精研工序检查中发现，钢球表面有很 微小的黑点和麻点。钢球材质为 8Cr4Mo4V，其 加工流程及部分参数为： 原材料车制成料段→热 冲压成型（ 加热温度（ 930 ± 15 ） ℃ ，保温 25 ～ 30 min） →球化退火→光球→软磨Ⅰ→热酸洗 100% 检查→软磨Ⅱ→热处理（ 真空热处理，淬火加热 温度 1 090 ℃ ，保温 48 ～ 50 min，3 次回火及冷处 理） ［4］→硬磨→冷酸洗 100% 检查→稳定处理→
50 μm
图 2 钢球缺陷深度测量 Fig． 2 Size and depth of the steel ball
2 钢球材质及缺陷的检验与分析
2． 1 原材料检验 抽取制造此批钢球的原材料，采用碳硫分析
仪、等离 子 光 谱 仪 等 进 行 化 学 成 分 分 析，通 过 MＲ5000 金相显微镜进行非金属夹杂物的检验， 其检 验 结 果 见 表 1。钢 材 的 化 学 成 分 符 合 YB 4105—2000 标 准［5］ 要 求，非 金 属 夹 杂 物 均 符 合
LIU Xiu-lian，BAN Jun，LUO Yan，LIU Ming
（ AVIC Harbin Bearing Co．，Ltd．，Harbin 150027，China） Abstract： Tiny black spots and pits were found on the surface of the high-temperature bearing steel ball of 7 /8″（ 22． 225 mm） in inspection during lapping process． The causes and nature of the surface defects were analyzed with a carbon sulfur analyzer， plasma spectrometer，Ｒockwell hardness tester，Vicker hardness tester，metallographic microscope，confocal laser scanning microscope and energy spectrometer． The material，microstructure and hardness were tested． The results show that tiny black spots and pits on steel ball surface are corrosion pits，not machining defects． Black spot defects formed due to corrosion in wet environment while the steel balls were stored in the warehouse． Black spot defects can act as fatigue source，so they must be prevented and controlled． Key words： steel ball； defect； black spot； corrosion pit； mechanism
［收稿日期］2015 年 4 月 20 日 ［修订日期］2015 年 7 月 2 日 ［作者简介］ 刘秀莲（ 1964 年 － ） ，女，高级工程师，主要从事轴承热处理工艺等方面的研究。
第4 期
刘秀莲，班 君，罗 燕，等： 高温轴承钢钢球表面缺陷分析
259
或麻点状小黑点缺陷为氧化锈斑”。 钢球缺陷主要有原材料表面裂纹、冷冲压和
粗研→精研→超精研。 针对高温轴承钢钢球表面黑点和麻点缺陷，
采用碳硫分析仪、等离子光谱仪、洛氏硬度计、维 氏硬度计、金相显微镜、激光共聚焦显微镜及能谱 仪对钢球的原材料、显微组织、硬度及生产工艺进 行检验分析，以确定其表面缺陷原因及性质。
1 钢球缺陷宏观形貌
将有黑点缺陷的钢球采用超声波清洗、烘干， 然后放置在激光共聚焦显微镜中对钢球表面的缺 陷进行观察。图 1a 为钢球黑点形貌，分布无规 则，深浅不一； 黑点缺陷三维（ 3D） 形貌特征见图 1b，缺陷范围为 320 μm × 256 μm。黑点缺陷最大 直径约 32 μm，深度约 7 μm（ 图 2） 。
表 3 钢球硬度梯度 Table 3 Hardness gradient of the steel ball
Distance from the edge / mm
Measured value / HV1
0． 1 0． 2 0． 3 0． 4 0． 5 0． 6 0． 7 0． 8 0． 9 1． 0 1． 1 1． 2 1． 3 1． 4 1． 5 1． 6 1． 7 1． 8 1． 9 2． 0 772 774 775 770 777 774 771 776 781 775 777 774 777 780 779 776 777 780 776 775
20 μm
20 μm
图 3 钢球显微组织 Fig． 3 Microstructure of the steel ball
图 4 钢球表面显微组织 Fig． 4 Microstructure of the steel ball surface
2． 4 能谱分析 通过对钢球缺陷区域的微区成分分析，分析
结果如图 5 所示。由图可知，O 元素的峰值很明
2850—2007 的要求，说明钢球硬度均匀，无软点。 2． 3 金相检验
将钢球磨制成金相试样，用 4% （ 质量分数） 的硝酸酒精溶液腐蚀后，放置在 Axiovert200MAT 金相显微镜下进行观察，其淬回火显微组织见图 3。按照 JB / T 2850—2007 标准要求对其淬回火 组织进行检验评级，显微组织为 3 级，符合要求。 通过对钢球表面黑点缺陷的显微组织观察 （ 图 4） ，晶界或毗邻区域并没有发生局部腐蚀，且沿 着或紧挨着材料的晶界处也没有向内部发展的腐 蚀现象，更没有发现晶粒脱落的痕迹，因此可以判 定钢球表面缺陷不是晶间腐蚀［7］。
0 引言
球轴承 是 支 承 各 种 机 械 旋 转 部 件 的 关 键 元 件，钢球是球轴承中承载载荷的重要组成部分，是 球轴承中最关键的零件之一，钢球质量的优劣直 接影响着轴承的使用寿命和可靠性。由于钢球表 面缺陷，会使轴承旋转时经常产生振动和噪声，缺 陷越大，振动值越大。轴承长时间工作使钢表面 缺陷边缘的金属首先疲劳，出现显微裂纹，裂纹逐 步扩大而脱落，直至造成轴承早期报废。表面缺 陷会增大轴承摩擦力矩，因为在轴承工作过程中， 负荷点经过缺陷时要消耗一定的能量，以克服缺 陷的阻力。大量试验证明，在疲劳破坏的轴承中， 由于钢球首先破坏而引起轴承报废的占 60% 以
预防和控制。
［关键词］ 钢球； 缺陷； 黑点； 腐蚀斑点； 机理
［中图分类号］ TG115
［文献标志码］ A
doi： 10． 3969 / j． issn． 1673-6214． 2015． 04． 013
［文章编号］1673-6214（ 2015） 04-0258-05
Surface Defect Analysis of High-temperature Bearing Steel Ball
Oxide 0． 5 1． 0
Non-metallic inclusion
Sulfide Dotnot deforming inclusion
0． 5
0
1． 0
1． 0
2． 2 硬度检验 取 3 颗有黑点缺陷的钢球，分别编号 A、B 和
260
失效分析与预防
第 10 卷
C。采用 HＲ-150G 洛氏硬度计进行表 面 硬 度 测 试，每粒钢球测试 3 点，结果见表 2。由表 2 可 知，钢球硬度符合 JB / T 2850—2007 标准［6］要求。
表 2 钢球表面硬度 Table 2 Surface hardness of the steel ball
HＲC
Ball number A B C
62． 5 62． 0 62． 5
Measured value 62． 5 62． 5 62． 0
62． 5 62． 5 62． 5
将 A 钢球用线切割机沿心部切开，磨制成金 相试样后用 TUKON2500 维氏硬度计进行硬度梯度 测试，结果见表 3。由表可知，钢球硬度符合 JB / T
图 5 钢球缺陷区域的能谱成分分析谱线及各元素含量 Fig． 来自百度文库 Micro area composition and element of the defect steel ball
第4 期
刘秀莲，班 君，罗 燕，等： 高温轴承钢钢球表面缺陷分析
261
3 钢球表面黑点缺陷的验证
挑选同样材质的 15 /32″（ 11． 906 mm） 钢球， 并在材料与热处理质量合格的情况下，将钢球放
50 μm (a) Morphology of black spots
33.000 16.500 0.0u0m040.000
384.000
128.000 um 0.000
160.000 320.000
480.000
640.000
(b) 3D morphology of defect
图 1 钢球缺陷形貌 Fig． 1 Defect morphology of the steel ball
显，且占有较大的比例。这说明黑点内氧化锈蚀 的可能性很大。
KCnt
5.1
Fe
4.0
Fe
3.0
2.0
1.0
Mo
Si O
Cr
C
Cl
V
0
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Energy /keV
Element C O Si Mo Cl V Cr Fe
Mass fraction /% 3.81 2.38 0.62 3.78 0.23 0.70 4.27 84.21