軸承套圈裂紋原因分析與改善

頡軍定，顧 鐵，張永啟，周 群，翟蛟龍，余 蘋

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 江陰 214400）

采用“連鑄-連軋”工藝生產(chǎn)供應(yīng)某軸承廠的GCr15鋼，協(xié)議規(guī)定直徑范圍Φ50～Φ90，在生產(chǎn)初期，采用Φ90規(guī)格GGr15鋼制造的型號(hào)R250-3建機(jī)軸承，最終檢查時(shí)3件成品軸承的內(nèi)徑上存在裂紋。宏觀腐蝕、微觀金相觀察和掃描電鏡分析等方法確認(rèn)套圈內(nèi)徑裂紋是鋼材中心區(qū)域顯微裂紋在鍛造套圈后未能充分焊合而殘留下來(lái)所致，通過(guò)連鑄采取輕壓下措施改善鋼的偏析可以避免鋼中顯微裂紋的產(chǎn)生，從而有效杜絕該類質(zhì)量問(wèn)題的發(fā)生。

1 宏觀檢查

目測(cè)缺陷呈線形開(kāi)口于軸承套圈內(nèi)壁，與軸向方向成一定角度如圖1所示，沿徑向切取缺陷樣品，采用15%～20%濃度的75℃鹽酸水溶液腐蝕后的效果如圖2所示，可見(jiàn)缺陷開(kāi)口位于偏析嚴(yán)重處。沿虛線A和虛線B將試樣切分成1、2、3三快，其中第2和第3塊觀察虛線A和虛線B的切分面，研磨拋光、4%硝酸酒精溶液的效果分別如圖3和圖4所示。圖2流線特征清晰地顯示出缺陷開(kāi)口位于鋼材偏析嚴(yán)重部位，圖3和圖4清晰地顯示出缺陷沿長(zhǎng)度和厚度方向呈貫通分布。

圖1 缺陷外觀形貌

圖2 75℃濃度15-20%鹽酸水溶液腐蝕效果

圖3 金相拋光后效果

圖4 4%硝酸酒精溶液腐蝕效果

2 微觀檢查

2.1 軸承品組織

缺陷部位附近采用2%濃度的硝酸酒精溶液腐蝕后組織效果如圖5所示，為隱針馬氏體組織+分布均勻的殘留碳化物，是較為理想的顯微組織，未出現(xiàn)粗大的網(wǎng)狀碳化物。

圖5 軸承微觀組織1000X

2.2 缺陷處帶狀組織

將樣塊1和樣塊2采用4%硝酸酒精溶液深腐蝕后在50倍視場(chǎng)下觀察金相圖片如下圖6和圖7所示，金相圖片清晰地顯示出缺陷實(shí)際上是顯微裂紋，且裂紋分布在碳化物帶狀聚集處。

圖6 軸承微觀組織50X

圖7 軸承微觀組織50X

2.3 氧化物質(zhì)點(diǎn)檢查

缺陷樣品金相拋光觀察效果如圖8所示，發(fā)現(xiàn)在缺陷兩側(cè)金屬有大量彌散、或條狀的氧化物，基本呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀分布。掃描電鏡下分析效果如圖9和圖10所示，確認(rèn)為Si、Mn、Cr和Fe的氧化物,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Al、Mg和Ca與冶煉相關(guān)的特征元素。

圖8 氧化物金相照片 200X

圖9 氧化物掃描電鏡照片

圖10 氧化物質(zhì)點(diǎn)掃描電鏡能譜圖

為了分析氧化物的產(chǎn)生來(lái)源，將一塊10mm*10mm*10mm的GCr15鋼樣品，加熱到950℃保溫30分鐘后水冷到室溫得到的新顯裂紋兩側(cè)沒(méi)有任何氧化物，金相圖片如圖11所示，然后將這塊樣品在試驗(yàn)室無(wú)保護(hù)氣氛的小電爐內(nèi)爐門緊閉的情況下按750℃保溫*14小時(shí)熱處理后重新磨樣檢查金相效果如圖12所示，在裂紋前端兩側(cè)附近金屬生成了彌散或條狀氧化物，電子顯微鏡下能譜圖如下圖13所示，確認(rèn)為Si、Mn和Cr的氧化產(chǎn)物。

圖11 熱處理前裂紋尖端無(wú)任何氧化物 500X

圖12 熱處理后裂紋尖端 出現(xiàn)氧化物 500X

圖13 熱處理后裂紋尖端出現(xiàn)氧化物的能譜圖

3 檢查結(jié)果與討論

3.1 檢查結(jié)果

宏觀檢查流線特征清晰地顯示出缺陷開(kāi)口位于鋼材偏析嚴(yán)重部位，據(jù)此可以排除鋼材表面原始缺陷因素，推斷可能與偏析相對(duì)嚴(yán)重的鋼材中心位置相關(guān)。軸承品顯微組織為理想的隱針馬氏體組織+分布均勻的殘留碳化物，且無(wú)網(wǎng)狀碳化物，說(shuō)明鍛造時(shí)加熱溫度正常，裂紋套圈淬火加熱溫度正常，均無(wú)過(guò)熱和過(guò)燒現(xiàn)象，排除套圈鍛造過(guò)程、淬火過(guò)程中產(chǎn)生裂紋的可能。微觀檢查缺陷處帶狀組織清晰地顯示出缺陷實(shí)際上顯微裂紋，且裂紋分布在碳化物帶狀聚集處，結(jié)合宏觀檢查結(jié)果，推斷鋼材偏析嚴(yán)重的中心區(qū)域應(yīng)該存在顯微裂紋。

微觀檢查缺陷附近金屬中存在尺寸非常小的Si、Mn和Cr的氧化物，而沒(méi)有Al、Mg和Ca等與冶煉過(guò)程相關(guān)的化學(xué)元素。試驗(yàn)室結(jié)果表明，新鮮裂紋在740℃保溫一定時(shí)間后兩側(cè)金屬將會(huì)生成Si、Mn和Cr的氧化物。說(shuō)明這種氧化物并不是冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的非金屬夾雜物，而應(yīng)該是熱處理過(guò)程中套圈中顯微裂紋形成了爐氣進(jìn)入的通道，鋼中的合金元素被氧化的結(jié)果。

3.2 分析與討論

球化退火是軸承制做過(guò)程中一項(xiàng)必須環(huán)節(jié)，如若套圈中存在裂紋且與外界連通，因爐氣中含有O2、CO2、H2O等含氧氣體，當(dāng)氧擴(kuò)散到合金內(nèi)部并當(dāng)氧超過(guò)一定濃度后,在合金表層內(nèi)與氧親和力比鐵大的合金元素Si、Mn和Cr有可能被氧化，即內(nèi)氧化，內(nèi)氧化產(chǎn)物最常見(jiàn)的形式為點(diǎn)狀、線狀或晶格狀氧化物。文獻(xiàn)1采用Fe2O3:Fe:Al2O3=1:1:1的混合粉末,對(duì)GCr15經(jīng)過(guò)內(nèi)氧化處理后同樣觀察到了素Si、Mn和Cr的內(nèi)生氧化物。文獻(xiàn)2指出次生氧化皮是在氧化皮生成速度極小時(shí)發(fā)生的內(nèi)部氧化層，次生氧化皮中的析出物的種類及大小均隨溫度而變化。

文獻(xiàn)3指出由于選分結(jié)晶的特點(diǎn)，鋼液澆注時(shí)會(huì)產(chǎn)生溶質(zhì)元素在固相和液相中再分配，導(dǎo)致元素分布的不均勻性和疏松產(chǎn)生。由于GCr15碳含量1.00%,從Fe-C平衡相圖可以發(fā)現(xiàn)，具有較寬的液固兩相區(qū)，凝固過(guò)程經(jīng)歷的時(shí)間越長(zhǎng)，更容易產(chǎn)生偏析，且GCr15中含有約1.5%的鉻，鉻是形成碳化物的元素，它不僅在奧氏體中擴(kuò)散系數(shù)小，而且還會(huì)降低碳及其他元素在奧氏體上擴(kuò)散系數(shù)，所以高碳鉻軸承鋼最終形成的偏析比較大。連鑄工藝水冷結(jié)晶器的采用和二冷段噴水強(qiáng)制冷卻，鋼液凝固時(shí)與模鑄不同，柱狀晶特別發(fā)達(dá)，易偏析元素被推向鑄坯中心，連鑄坯的偏析比較集中，因此不但存在樹(shù)枝干和枝晶的顯微偏析，也會(huì)產(chǎn)生宏觀上的中心碳偏析。為了降低鋼中樹(shù)枝狀偏析程度，除了合理控制結(jié)晶條件外，還要在加熱過(guò)程中施行擴(kuò)散退火，使偏析元素?cái)U(kuò)散均勻。偏析元素在高溫下的擴(kuò)散過(guò)程隨著溫度升高而急劇地加速，所以從擴(kuò)散的角度考慮，高碳鉻軸承鋼的加熱溫度應(yīng)該盡量提高，成分均勻的GCr15鋼熔化溫為1225℃～1240℃，但是連鑄坯中軸心區(qū)樹(shù)枝狀偏析最嚴(yán)重，存在宏觀偏析。所以當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)連鑄坯施以正常高溫?cái)U(kuò)散退火時(shí)，中心區(qū)域鉻、碳及雜質(zhì)含量較高的高濃度區(qū)域?qū)嶋H的熔化開(kāi)始溫度要低一些，可能引起軸心區(qū)過(guò)燒而形成顯微裂紋。在顯微組織上，軸心顯微裂紋（與叫顯微孔隙）呈孔洞分布在高濃度帶中。如果只是輕微的過(guò)燒，或者軋制變形量足夠大，顯微裂紋可以被焊合，但是Φ90圓的產(chǎn)品直徑比較大，已經(jīng)達(dá)到雙方允許的上限，軋制后裂紋沒(méi)有充分的焊合。

中心偏析形成有兩種機(jī)理，“凝固橋”和“鼓肚”理論，不論那種機(jī)理，中心偏析都是凝固殼鼓肚或凝固收縮引起樹(shù)枝晶間富集殘余溶質(zhì)的母液流動(dòng)而使局部溶質(zhì)富集的結(jié)果。為此在凝固末期采用壓縮技術(shù)在凝固末端給鑄坯施加一定的壓下量，使鑄坯液芯體積減小，以補(bǔ)償由于凝固過(guò)程中體積收縮而產(chǎn)生的中心疏松和縮孔，從而減輕或避免枝晶間濃化鋼液發(fā)生流動(dòng)，達(dá)到改善宏觀偏析和疏松的目的，改善宏觀偏析和疏松的效果是減輕或避免高溫?cái)U(kuò)散過(guò)程中軸心過(guò)燒而產(chǎn)生中心顯微裂紋的最有效手段。

4 輕壓下效果對(duì)比

本試驗(yàn)是在原有連鑄工藝基礎(chǔ)上增加了平輥機(jī)械輕壓下，壓下輥由一整套的上下輥組成，被認(rèn)為是控制連鑄坯偏析和疏松最有效的方法。其技術(shù)含量高，應(yīng)用難度較大，生產(chǎn)過(guò)程中必須精確控制澆鑄工藝參數(shù)、凝固條件和壓下區(qū)間鑄坯中心固相率，合理匹配拉速與壓下量。

4.1 低倍及CS對(duì)比分析

在軋制鋼材中間過(guò)程的140mm*140mm方坯上取樣做低倍檢查，并連續(xù)切取82片樣對(duì)中心位置采用5mm鉆頭取樣進(jìn)行碳硫儀分析，碳的分析結(jié)果與熔檢成分的比值稱做碳偏析指數(shù)，碳偏析指數(shù)用來(lái)衡量中心碳偏析的嚴(yán)重程度。無(wú)輕壓下和有輕壓下的低倍圖片分別如圖14和圖15所示，碳偏析指數(shù)分布圖如圖16所示。低倍圖片對(duì)比可以看出，有輕壓下的低倍質(zhì)量好于沒(méi)有采用輕壓下的，有輕壓下低倍組織的更加致密，無(wú)明顯的中心宏觀偏析。有輕壓下的中心碳偏析指數(shù)明顯低于無(wú)輕壓下的，且有輕壓下的中心碳偏析指數(shù)更加穩(wěn)定，無(wú)輕壓下的中心碳偏析指數(shù)極差0.35，而有輕壓下的碳偏析指數(shù)極差0.11。

圖14 無(wú)輕壓下低倍圖片

圖15 有輕壓下低倍圖片

圖16 無(wú)輕壓下和有輕壓下碳偏析指數(shù)對(duì)比

4.2 原位分析對(duì)比效果

中間坯中心部位80mm*80mm的區(qū)域采用原位統(tǒng)計(jì)分布分析，無(wú)輕壓下和有輕壓下的原位分析二緯掃描圖分別如圖17和圖18所示。以無(wú)輕壓下的結(jié)果為基準(zhǔn)結(jié)果，輕壓力下與無(wú)輕壓下的C元素統(tǒng)計(jì)偏析度、C元素最大偏析度、C元素統(tǒng)計(jì)均勻度、致密度，統(tǒng)計(jì)疏松度結(jié)果的比值如下圖19圖和圖20所示，可見(jiàn)采用輕壓下的中間坯好于沒(méi)有采用輕壓下的。

圖17 無(wú)輕壓下原位分析二維圖

圖18 有輕壓下原位分析二維圖

圖19 偏析度和均勻度結(jié)果對(duì)比圖

圖20 致密度和疏松度結(jié)果對(duì)比圖

4.3 高頻檢查對(duì)比效果

采用10MHZ頻率的探頭對(duì)Φ90鋼材進(jìn)行水浸高頻探傷檢查，各統(tǒng)計(jì)一年時(shí)間的檢查數(shù)據(jù)，不采用輕壓下的鋼材中心區(qū)域顯微裂紋缺陷出現(xiàn)率為2.25%，顯微裂紋的典型C掃描圖如圖21所示，對(duì)缺陷定位分析的A掃描圖如圖22所示，圖22顯示出缺陷基本位于鋼材中心區(qū)域，對(duì)圖22缺陷的金相解析金相圖片見(jiàn)圖23所示，圖23顯示出缺陷為具有“三角形”典型特征的的顯微孔隙，而采用輕壓下的中心區(qū)域顯微裂紋缺陷出現(xiàn)率為零。

圖21 典型缺陷C掃圖

圖22 典型缺陷A掃圖

圖23 典型缺陷解析圖

4.4 客戶應(yīng)用跟蹤

對(duì)客戶應(yīng)用跟蹤，使用不采用輕壓下的Φ90鋼材制做的軸承裂紋偶然發(fā)生，發(fā)生率為萬(wàn)分之3.26，而使用采用輕壓下的Φ90鋼材制做的軸承裂紋不再發(fā)生。

5 結(jié)論

由于型號(hào)R250-3建機(jī)軸承采用直徑90mm的鋼材鍛制，該直徑達(dá)到雙方約定的上限，壓縮比受到一定限制，由于連鑄坯擴(kuò)散退火過(guò)程中中心區(qū)域宏觀偏析過(guò)燒產(chǎn)生的顯微裂紋在成品鋼材上沒(méi)有被充分焊合，在鍛制成軸承套圈后顯微裂紋雖然發(fā)生了變形但仍然沒(méi)有被焊合而遺留下來(lái)。軸承裂紋附近分布的氧化物不是鋼中冶金夾雜物，也不是裂紋產(chǎn)生的原因，而是在軸承球化退火過(guò)程中具有一定氧化性的爐氣通過(guò)顯微裂紋通道進(jìn)入鋼中表層金屬，與鋼中合金元素發(fā)生了內(nèi)氧化反應(yīng)的產(chǎn)物。通過(guò)連鑄過(guò)程增加機(jī)械輕壓下措施，可以明顯改善鋼坯的中心偏析和致密度，減少高溫?cái)U(kuò)散退火過(guò)程中過(guò)燒產(chǎn)生顯微裂紋的發(fā)生機(jī)率和降低顯微裂紋嚴(yán)重程度，保證連鑄坯在軋制成品Φ90鋼材上不產(chǎn)生顯微裂紋，從而確保型號(hào)R250-3建機(jī)軸承上不再發(fā)生裂紋質(zhì)量問(wèn)題。