軸承鋼管內(nèi)部裂口成因

供稿|劉紅祎, 李錫峰 / LIU Hong-yi，Li Xi-feng

國內(nèi)外使用最廣泛的高碳鉻軸承鋼常用鋼種為GCr15，約占軸承鋼的90%[1]?，F(xiàn)在軸承鋼棒材加工成軸承套圈主要方法分為鍛造和穿管兩種工藝。在軸承鋼穿管后檢查時發(fā)現(xiàn)，軸承鋼內(nèi)部出現(xiàn)了通長的開裂現(xiàn)象。

軸承鋼鋼管工藝流程

軸承鋼鋼管制備主要是采取穿管工藝，工藝流程如下：

軸承鋼圓鋼切斷→加熱穿孔→球化退火→酸洗磷皂化→冷拔(軋)→去應(yīng)力退火→成品矯直→成品切割→成品檢驗→打包入庫→出廠交付。

軸承鋼圓鋼出廠情況

本鋼的GCr15軸承鋼主要是由中方坯(235 mm×265 mm)和矩形坯(350 mm×470 mm)連鑄生產(chǎn)，出廠需要經(jīng)過低倍、高倍和夾雜物等基本檢驗，同時有相關(guān)人員對表面進行逐支檢驗，經(jīng)過各道工序檢驗合格后方可允許出廠。經(jīng)過對廠內(nèi)的生產(chǎn)過程檢查，出現(xiàn)內(nèi)部開裂的軸承鋼的規(guī)格為φ45 mm，軸承鋼生產(chǎn)采用中方坯235 mm×265 mm連鑄坯為原料，經(jīng)過計算壓縮比達到39:1，生產(chǎn)工序無異常，如此大的壓縮比在軋制過程中很難出現(xiàn)內(nèi)部質(zhì)量問題。壓縮比是衡量鋼材致密程度較重要指標(biāo)，現(xiàn)在許多鋼材對壓縮比有一定要求，特別是軸承鋼這種高碳鋼受壓縮比影響更大，一般壓縮比要求大于等于10即可，本鋼使用中方坯產(chǎn)φ45 mm的壓縮比達到了39，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了基本要求，內(nèi)部組織致密，不會出現(xiàn)穿管過程中的開裂現(xiàn)象。

同時，依據(jù)生產(chǎn)軸承鋼鋼管的爐號，對軸承鋼圓鋼出廠前的檢驗情況進行檢查，低倍共計6個檢驗試片，中心疏松均為0.5級，一般疏松均為0級，偏析也均為0級，這樣低倍檢驗結(jié)果是比較好的，中心致密，無偏析等情況。夾雜物檢驗A級均為1級，有一定量不可避免的硫化物產(chǎn)生，硫化物為塑性夾雜物，同時無法徹底根除掉，經(jīng)過和其他廠家對比1.0級為較好等級。B類夾雜物為氧化物0.5級，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于GB/T18254的水平要求，C類和D類夾雜物均為0級，未發(fā)現(xiàn)硅酸鹽和點狀氧化物。各項檢驗指標(biāo)顯示，低倍和夾雜物遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國標(biāo)要求水平，處于較好的狀態(tài)，內(nèi)部純凈度較高，致密度也很好。

試樣制備

取有問題的軸承鋼鋼管一段，約為350 mm長。因為是內(nèi)部的開裂，無法直接從外部看出問題，所以對鋼管用線切割將中間切割開，可以清晰地看到鋼管內(nèi)壁的缺陷形貌，切割開的軸承鋼鋼管如圖1所示。

圖1 切割后的鋼管內(nèi)壁宏觀形貌

圖1為本鋼生產(chǎn)的軸承鋼在穿管后產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷形貌。從圖中可以看出，鋼管中有一個較直的開裂口，裂口寬度大約為2 mm，裂口外部較寬，內(nèi)部逐漸變窄，長度為整個鋼管的通長，同時部分位置處在主開裂旁邊有小的斷續(xù)開裂狀態(tài)。從中間破開的軸承鋼鋼管內(nèi)壁照片，鋼管中可以明顯看到有一個比較直的裂口，經(jīng)過宏觀、金相和電鏡分析，找尋裂口產(chǎn)生的原因。

從切割后的的鋼管圖片放大可以看到，下方鋼管內(nèi)壁有一條通長縱向開裂，且在局部開裂處有翹皮存在，翹皮均與開裂的某側(cè)基體相連；同時所有翹皮都偏向同一側(cè)，而且開裂的裂口均為一側(cè)壓另一側(cè)，如圖1和圖2所示。

圖2 裂口處放大宏觀形貌

微觀分析

使用線切割對鋼管進行垂直軋制方向進行切割(如圖2箭頭部位)，切割成20 mm長的金相試樣，為了保證試樣的組織不發(fā)生變化，在切割過程中使用冷卻液對鉬絲和試樣進行冷卻。試樣研磨采用手工研磨，研磨的最終目的是去除變形層。切好后的試樣，先需要用砂輪進行磨平，在打磨過程中需要用水對試樣進行冷卻，防止金屬組織過熱。磨平后的試樣，要經(jīng)過由粗到細(xì)的各砂紙磨制，磨制從粗到細(xì)，每換一次砂紙，試樣都需要轉(zhuǎn)90°與舊的磨痕成垂直，磨至上一道次的磨痕完全消失，新磨痕分布均勻，經(jīng)多次研磨后的試樣。進行粗拋光，粗拋采用呢絨拋光盤，3.5 μm金剛石拋光液去除砂紙的磨痕，然后進行細(xì)拋光采用絲絨拋光盤，2.5 μm或以下力度拋光劑進行拋光。然后用4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕，腐蝕后進行金相檢驗。

金相分析

金相分析圖片如圖3所示。從圖3來看，基體組織為球化后的珠光體，裂口兩側(cè)雖然有破碎狀，同時向鋼管基體延伸，但是裂口兩側(cè)沒有明顯的出現(xiàn)脫碳。從規(guī)格為φ45 mm的鋼材穿成成品管材，需要進行多次加熱。但在此鋼管裂口處未發(fā)現(xiàn)脫碳現(xiàn)象，可以看出鋼材的裂口可能為加熱后穿管形成的。同時裂口筆直如圖1所示，穿管過程中鋼管呈螺旋狀旋轉(zhuǎn)，如果是熱穿管出現(xiàn)問題裂口應(yīng)該呈螺旋狀，所以應(yīng)該也不是熱穿管過程中產(chǎn)生的。

圖3 裂口的形貌

電鏡分析

將金相試樣沿裂口處打開，用電鏡進行斷口分析。圖4的左邊為鋼管內(nèi)壁側(cè)。圖5為圖4左側(cè)的韌窩斷口放大照片，圖6為圖4右側(cè)的準(zhǔn)解理斷口的放大圖片。

圖4 裂口處斷口形貌

圖5 韌窩狀斷口形貌

圖6 準(zhǔn)解理斷口形貌

圖4中右側(cè)區(qū)域為完全準(zhǔn)解理狀形貌，見圖6。這是在人為制備斷口試樣時，外力作用造成的脆性開裂斷口，而非試樣上原始裂口斷口形貌。

圖4左側(cè)區(qū)域主要為韌窩狀斷口形貌，見圖5。此區(qū)域為典型的塑性開裂，有大量撕裂筋存在，為擦劃外力造成。

結(jié)束語

通過對宏觀分析得知，裂口呈縱向筆直狀，翹皮均與裂口某側(cè)基體相連，放大后可以明顯看到裂口平滑，裂口寬度基本相等。通過對裂口處和基體金相組織分析，裂口兩側(cè)邊緣沒有脫碳現(xiàn)象，基體顯微組織為球化退火組織。通過電鏡形貌看，裂口開口區(qū)域為韌窩狀斷口，有機械擦劃痕跡。

通過對宏觀上的分析確認(rèn)鋼管裂口呈縱向筆直狀，表明裂口非在加熱、穿管過程中產(chǎn)生。依據(jù)裂口金相和斷口形貌分析，確認(rèn)為鋼管在穿管后的冷拔某工序，管內(nèi)壁受到機械擦傷所致。

[1] 孫智，倪宏昕，彭竹琴．現(xiàn)代化鋼鐵材料及工程應(yīng)用．北京：機械工業(yè)出版社，2007．

[2] 姜錫山．特殊鋼金相圖譜．北京：機械工業(yè)出版社，2003．

[3] 姜錫山．特殊鋼缺陷分析與對策．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006．