本鋼板材股份有限公司制造部，遼寧　本溪　117000

本鋼板材股份有限公司技術(shù)研究院，遼寧　本溪　117000

摘要: 軸承鋼具有高而均勻的硬度、耐磨性以及高的彈性極限，被視為是鋼鐵生產(chǎn)中要求最嚴(yán)格的鋼種之一。本文針對(duì)軸承鋼GCr15在加工軸承套圈時(shí)表面出現(xiàn)條帶狀和點(diǎn)狀裂紋的現(xiàn)象，采用光學(xué)顯微鏡以及掃描電子顯微鏡對(duì)裂紋進(jìn)行觀察，并進(jìn)行能譜分析，對(duì)產(chǎn)生裂紋的原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明條帶裂紋是氧化鐵皮脫落殘留的凹坑；點(diǎn)狀裂紋是水口結(jié)瘤脫落的外生非金屬夾雜物而導(dǎo)致的裂紋萌生。在生產(chǎn)中應(yīng)對(duì)軸承鋼煉鋼工藝鋼包水口下渣進(jìn)行嚴(yán)格控制，減少中間包耐材侵蝕及水口結(jié)瘤，從而防止此類缺陷產(chǎn)生。

軸承套圈是具有一個(gè)或幾個(gè)滾道的向心滾動(dòng)軸承的環(huán)形零件，是由軸承鋼經(jīng)過(guò)鍛造、退火、車削、熱處理等工序加工而成的。要求軸承鋼具有高而均勻的硬度、耐磨性以及高的彈性極限，因而對(duì)鋼材化學(xué)成分均勻性、鋼質(zhì)純凈度、非金屬夾雜物的含量級(jí)別和分布狀態(tài)、碳化物的分布及其狀態(tài)等要求都十分嚴(yán)格，因此軸承鋼被視為是鋼鐵生產(chǎn)中要求最嚴(yán)格的鋼種之一。本鋼供給某軸承廠生產(chǎn)軸承套圈用的軸承鋼GCr15加工后個(gè)別軸承套圈表面出現(xiàn)條狀或點(diǎn)狀的細(xì)小裂痕，為了找出軸承套圈裂紋產(chǎn)生的原因，本文進(jìn)行了物理檢驗(yàn)分析與探討。

1.   實(shí)驗(yàn)研究

1.1   工藝條件

本鋼GCr15軸承鋼生產(chǎn)工藝為：電爐→LF精煉→VD處理→235 mm×265 mm連鑄坯→加熱→軋制→退火。

軸承套圈加工工藝為：GCr15原材料→鍛造→車削→熱處理→磨削→磁粉檢測(cè)。

GCr15軸承鋼經(jīng)軋制后主要獲得組織為細(xì)片狀珠光體和碳化物(Fe，Cr)3C。根據(jù)加工使用要求，一般需要經(jīng)過(guò)球化退火處理或淬火+低溫回火熱處理，經(jīng)過(guò)熱處理后組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的隱晶馬氏體和滲碳體顆粒，GCr15內(nèi)控化學(xué)成分見(jiàn)表1所示。

表  1  GCr15軸承鋼內(nèi)控化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

C	Si	Mn	Cr	Mo	P	S	O
0.96~1.03	0.16~0.27	0.26~0.35	1.41~1.50	≤0.10	≤0.020	≤0.018	≤0.0012

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對(duì)點(diǎn)狀和條帶狀裂痕兩種生產(chǎn)缺陷試樣進(jìn)行切割取樣，用掃描電鏡分別對(duì)裂紋缺陷的平面和剖面進(jìn)行觀察，并對(duì)裂紋內(nèi)部進(jìn)行能譜成分分析。

1.2   裂紋平面分析

在SEM下對(duì)試樣的缺陷表面進(jìn)行觀察，條帶狀裂紋的宏觀形貌如圖1(a)，裂紋貫穿整個(gè)視場(chǎng)，長(zhǎng)度為2.14 mm，局部放大如圖1(b)，主要為斷續(xù)分布的小孔洞組成，并呈條帶狀密集分布，底部圓滑，無(wú)裂紋延伸傾向。對(duì)缺陷部位進(jìn)行能譜分析，化學(xué)成分主要為C、O、Cr、Fe，成分未見(jiàn)異常。在SEM觀察點(diǎn)狀缺陷為凹坑狀缺陷如圖1(c)，缺陷邊緣與底部光滑，無(wú)裂紋延伸傾向?；瘜W(xué)成分與條帶狀裂紋缺陷一樣主要為C、O、Cr、Fe，成分未見(jiàn)異常。

圖  1  裂紋平面形貌：(a)條帶狀裂紋平面形貌；(b)條帶狀裂紋平面局部放大形貌；(c)點(diǎn)狀裂紋平面放大形貌

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1.3   裂紋剖面分析

對(duì)兩種缺陷試樣部位進(jìn)行切割，然后對(duì)缺陷縱剖面進(jìn)行金相試樣的制備，在光學(xué)顯微鏡下觀察。

條形缺陷部位未檢查到明顯異?，F(xiàn)象，只是缺陷部位略有下凹，判斷為坯料加熱時(shí)間較長(zhǎng)，在軋制之前表面附著大量氧化鐵皮，軋制時(shí)由于物理震蕩脫落而形成凹坑；GCr15加工成軸承套圈后，由于車削深度不足，沒(méi)有達(dá)到原始凹坑深度，因此，留下不規(guī)則的條帶狀缺陷。此種缺陷不會(huì)向基體延伸，如材料對(duì)外觀無(wú)特殊要求，不會(huì)影響零件的正常使用。

而在點(diǎn)狀缺陷部位附近發(fā)現(xiàn)有顆粒狀的非金屬夾雜物呈條帶狀分布，如圖2(a)所示，條帶的一端露出試樣表面，故使軸承套圈表面萌生出點(diǎn)狀缺陷。經(jīng)測(cè)量非金屬夾雜物長(zhǎng)度約為580 μm，寬度約為12 μm，在SEM下對(duì)非金屬夾雜物形貌進(jìn)行觀察，見(jiàn)圖2(b)所示，是由小顆粒狀?yuàn)A雜物團(tuán)聚集形成。對(duì)缺陷部位進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見(jiàn)表2，化學(xué)成分主要為Fe、O、Mg、Al、Ca、S。大尺寸條狀?yuàn)A雜物主要由顆粒狀的MgO·Al2O3、CaO-2Al2O3、CaS聚積而成，出現(xiàn)如此大尺寸的堆積型夾雜物，并且呈隨機(jī)分布狀，分析最可能的原因是水口結(jié)瘤物脫落導(dǎo)致。參照水口結(jié)瘤物成分，結(jié)瘤物主要有Al2O3、CaO和MgO組成，兩者含量基本相當(dāng)。

圖  2  裂紋剖面形貌：(a)點(diǎn)狀剖面形貌；(b)非金屬夾雜物形貌

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表  2  非金屬夾雜物能譜分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

位置	O	Mg	Al	S	Ca	Cr	Fe
Spectrum 1	49.89	14.36	30.75	1.93	2.09	—	0.98
Spectrum 2	38.49	11.73	24.03	—	—	—	25.75
Spectrum 3	—	—	—	27.31	49.07	0.88	22.74
Spectrum 4	22.30	0.62	15.87	—	3.84	4.18	53.19

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2.   分析與討論

采用鋁脫氧的軸承鋼澆注過(guò)程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生侵入式水口結(jié)瘤現(xiàn)象，低氧含量的軸承鋼液中存在MgO·Al2O3、CaO·2Al2O3、CaO·6Al2O3等微小夾雜物粒子，由于熔點(diǎn)高、與鋼液間表面張力大，這些微小的夾雜物粒子在連鑄過(guò)程中易在水口內(nèi)壁沉積而導(dǎo)致水口結(jié)瘤。尺寸較小的夾雜物在凹形水口底部逐漸聚集在一起、慢慢長(zhǎng)大，很容易上浮至結(jié)晶器內(nèi)或黏附在浸入式水口底部。軸承鋼棒材中存在Al2O3、MgO·Al2O3、鈣鋁酸鹽等氧化物類不變形夾雜物易導(dǎo)致裂紋萌生[1-6]。

對(duì)于軸承鋼這種超低氧的鋼水，通過(guò)VD真空處理，鋼水中的Al2O3、MgO·Al2O3高熔點(diǎn)固相夾雜物大多能被去除。但是澆鑄過(guò)程重新創(chuàng)造了熱力學(xué)條件，會(huì)再次產(chǎn)生高熔點(diǎn)固相夾雜物；另一方面耐材中的MgO受到鋼水侵蝕，也會(huì)產(chǎn)生高熔點(diǎn)的固相夾雜物MgO·Al2O3。為減少軸承鋼水口結(jié)瘤，應(yīng)控制鋼包水口下渣，減少中間包耐材侵蝕。

3.   結(jié)束語(yǔ)

對(duì)兩種軸承套圈缺陷進(jìn)行分析表明：軸承套圈表面的條帶狀缺陷是軸承鋼表面氧化鐵皮脫落殘留的凹坑，不會(huì)向基體延伸；軸承套圈表面點(diǎn)狀缺陷是外生非金屬夾雜物萌發(fā)的裂紋缺陷，由于脫落的水口結(jié)瘤物未能及時(shí)上浮殘留于連鑄坯中造成的；軸承鋼生產(chǎn)過(guò)程中，為減少水口結(jié)瘤應(yīng)控制鋼包水口下渣，減少中間包耐材侵蝕。