G20CrNi2Mo渗碳钢制圆锥滚子轴承外圈，在使用过程中出现开裂现象。由于该轴承产量高，使用部位关键，为避免再出现同样的开裂现象，必须找出其产生失效的原因。本文通过宏观分析、微观分析、扫描电镜的分析，就开裂的原因进行了讨论。

1．外圈开裂宏观特征

失效的渗碳钢制圆锥滚子轴承外圈外表面除有一条贯通的、且与轴线平行的开裂裂纹外，还有两条源自大裂缝的散射细裂纹。除两端及中部非工作区外，套圈上有两道大的磨损区，呈不同的亮白色光泽带。从距端面约20mm的磨损区边缘开始分布有多条“刻度”状细小直裂纹，方向与大裂纹平行，最长的40mm左右，多数为5～10mm，如图1、图2所示。这些特征说明，贯通的大裂纹是由这些细小裂纹之一发展而成。

2．断口扫描电镜检查 外圈原始大裂纹的断口宏观特征如图3所示，呈现脆断特征，在外圈断口外表面“刻度”裂纹区对应的断口处能见到疲劳源特征，如图4所示。据此可判断套圈的开裂为疲劳脆断。

在扫描电镜下检查发现，疲劳源区位于套圈外表面的白亮带中，如图5、图6所示，从不同放大倍率的断口组织可以看到该白亮区位于渗碳淬火层的表面，即靠近套圈的外表面处。疲劳区域以下的渗碳淬火层开裂呈解理开裂特征，如图7所示，说明疲劳开裂不久就发生了一次性的快速断裂。套圈心部的断口组织以韧窝为主，是由于心部为较软的板条马氏体组织所致，如图8所示。 外圈外表面上的白亮磨损区大量的细小开裂在扫描电镜下的细节如图9所示，可以看出这些细小开裂都平行于贯通的主开裂，与外圈表面上的磨损方向完全垂直。在与小开裂平行方向制成的金相试样的磨损区进行显微硬度对比测试发现，磨损区以下约0．1mm深度的截面上的硬度值比渗碳淬火层的硬度高（见图10），这说明套圈外表面上的磨损区产生了硬化现象，磨损硬化层硬度为923HV、941HV，渗碳淬火层硬度为730HV、719HV。

3．金相组织检查 外表面磨损区有一层约0．05mm厚的耐浸蚀白亮区， 白亮区之下为正常的渗碳淬火层，即细小针状马氏体组织（见图11），套圈心部为板条状淬火马氏体组织（见图12）。

4．化学成分分析 能谱分析如图13所示，成分分析见附表，能谱和化学分析都表明套圈材料的化学成分符合G20CrNi2Mo标准要求。

5．结语

（1）开裂套圈材料的化学成分、渗碳热处理工艺及金相组织正常。

（2）套圈的开裂属疲劳引起的脆性断裂，疲劳源位于套圈外表面磨擦损伤硬化区。

（3）轴承在磨削加工时表面有磨削烧伤或二次硬化现象，轴承在运行中外圈有偏载滑动磨损现象，导致轴承外圈在磨擦损伤区中产生了硬化和开裂。同时运行中套圈受到较大的压力，在套圈四周方向上产生较大交变拉应力，促成了磨损区表面的细小开裂并引发疲劳源萌生，最终造成套圈贯穿性开裂。

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轴承君在拜访客户时遇到客户定轴承时，想提高轴承使用寿命，要求厂家在定做轴承时采用渗碳钢制造，并且规定了渗碳钢牌号：G20CrNi2Mo。但是这种材料真的适合吗？

一、G20Cr2Ni4A

G20Cr2Ni4A的强度大，其淬透性比G0CrNi2Mo钢好，用它加工重载工件在使用性能上可以得到保证。

G20Cr2Ni4A的热处理工艺复杂。G0Cr2Ni4A普通正火得到的为马氏体组织或马氏体与贝氏体混合组织，这样的组织硬度大，切削加工困难，为此轴承锻坯的预备热处理工艺应为正火坑冷(灰冷)或进行高温回火。

由于切削加工困难，此种渗碳钢常用来制造轴承。应为轴承无需大量的切削加工，同时轴承需要很强的淬透性因此是制造渗碳钢轴承的理想材料。

二、G20CrNi2Mo

G20CrNi2Mo钢中的合金元素为Cr、Ni、Mo，其中Cr、Mo为碳化物形成元素，Ni为非碳化物形成元素。碳化物形成元素可以在渗碳时增加表面碳浓度，使得碳浓度梯度变陡，非碳化物形成元素则可减少表面碳浓度，使碳浓度变平缓，G20CrNi2Mo钢中碳化物形成元素与非碳化物形成元素相互配合可使渗碳钢有较好的渗碳能力。

Mo的加入使钢的晶粒细化，降低了钢的过热敏感性，使得钢在高温下长时间渗碳时晶粒不易长大。此外，Mo的另一显著作用是改善了钢中碳化物的形态。细小且呈球状的碳化物不但可以提工件的接触疲劳强度，而且可以提高其弯曲疲劳强度和耐磨性。

G20CrNi2Mo与G20Cr2Ni4A相比具有良好的切削性能，因此，是制造渗碳钢齿轮的理想材料。

三、渗碳层深度

渗碳层深度主要受渗碳温度、渗碳时间和碳势等因素的影响。

碳在工件中的扩散系数随着温度的升高而急剧增加。当温度一定时，渗层深度与渗碳时间呈抛物线的关系，可见温度和时间对渗层深度起主要影响。在时间、气氛相同的条件下，提高渗碳温度，可以大大加快渗碳速度，使得表面碳浓度高，浓度梯度平缓。降低渗碳温度，效果则相反，因此提高渗碳温度对加速渗碳有利。一般对于浅层渗碳，对时间的控制要求很高，浅层渗碳温度不宜太高，若温度太高，渗碳时间不宜控制，会影响渗层的深度，同时温度太高心部组织易于粗化，增加心部的淬透性，使心部硬度超差。

我国对渗碳层的深度有明确的标准，渗碳层深度与渗碳钢材料无关。

从上表看出，渗碳层的深度要按照工件的厚度来确定。