某模鑄軸承鋼皮下夾雜缺陷的分析與控制

馬永強(qiáng), 程麗杰, 劉玉芬, 李 濤

(東北特鋼集團(tuán) 撫順特殊鋼股份有限公司, 撫順 113001)

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

某模鑄軸承鋼皮下夾雜缺陷的分析與控制

馬永強(qiáng), 程麗杰, 劉玉芬, 李 濤

(東北特鋼集團(tuán) 撫順特殊鋼股份有限公司, 撫順 113001)

某模鑄軸承鋼在水浸式自動(dòng)超聲波檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)連續(xù)橫波報(bào)警。采用化學(xué)成分分析、低倍組織及非金屬夾雜物檢驗(yàn)、掃描電鏡及能譜分析的方法，分析了缺陷的性質(zhì)和產(chǎn)生的原因。結(jié)果表明：該模鑄軸承鋼超聲波檢測(cè)的缺陷為皮下夾雜；該皮下夾雜的成分以鋁、硅、鈣的氧化物為主，并含有少量的鈉、鉀等元素的氧化物，是由澆鑄過(guò)程中保護(hù)渣卷入鋼液中所致。對(duì)保護(hù)渣采用吊渣及烘烤等措施，可有效避免該類(lèi)缺陷的產(chǎn)生。

模鑄軸承鋼；皮下夾雜；缺陷；保護(hù)渣

軸承的滾動(dòng)體通常在拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力及摩擦力等交變載荷下工作[1]，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，軸承的工作環(huán)境越來(lái)越惡劣，對(duì)軸承的質(zhì)量穩(wěn)定性要求也在不斷提高，對(duì)軸承鋼的產(chǎn)品質(zhì)量也提出了更高要求[2]。對(duì)于軸承滾動(dòng)體材料的選擇，由于模鑄軸承鋼的低倍組織質(zhì)量好于連鑄軸承鋼的，盡管模鑄的生產(chǎn)成本較高，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的部分國(guó)際知名軸承制造商往往還是選用模鑄軸承鋼作為滾動(dòng)體材料。對(duì)于模鑄軸承鋼應(yīng)特別關(guān)注鋼材的皮下質(zhì)量，皮下夾雜等缺陷可能導(dǎo)致軸承的接觸疲勞失效，因此防止模鑄軸承鋼皮下夾雜的產(chǎn)生，是當(dāng)前急需解決的主要問(wèn)題。

某模鑄軸承鋼在水浸式自動(dòng)超聲波檢測(cè)工序中出現(xiàn)連續(xù)橫波報(bào)警，說(shuō)明軸承鋼表面或皮下存在缺陷。對(duì)報(bào)警處使用砂輪輕磨，未發(fā)現(xiàn)缺陷，重新進(jìn)行超聲波檢測(cè)在相同位置再次出現(xiàn)報(bào)警，初步判斷為皮下夾雜。針對(duì)該模鑄軸承鋼生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的皮下夾雜問(wèn)題，筆者采用化學(xué)成分分析、低倍組織及非金屬夾雜物檢驗(yàn)、掃描電鏡及能譜分析的方法，分析了皮下夾雜產(chǎn)生的原因，以期杜絕類(lèi)似質(zhì)量問(wèn)題的再發(fā)生。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

軸承鋼的生產(chǎn)工藝流程為：電爐熔融→精煉→真空脫氣→模鑄→初軋開(kāi)坯→連軋成材→磨光→水浸式自動(dòng)超聲波探傷。將軸承鋼料段車(chē)削成鼓面形的圓柱體，可見(jiàn)在圓柱體表面出現(xiàn)兩條黑線，見(jiàn)圖1。

圖1 軸承鋼材料的原始缺陷形貌Fig.1 Morphology of original defects of the bearing steel material

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)探傷不合格的區(qū)域截取料段，檢驗(yàn)料段兩端的化學(xué)成分和低倍組織。在圓柱體出現(xiàn)黑線的中心位置及圓柱最大直徑處使用線切割沿橫向切開(kāi)，得到的兩個(gè)試樣分別為試樣1和試樣2，如圖1所示。將兩個(gè)試樣研磨、拋光，置于金相顯微鏡下觀察缺陷形貌，再使用掃描電鏡及能譜對(duì)缺陷進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 化學(xué)成分分析

軸承鋼試樣的化學(xué)成分如表1所示，可見(jiàn)其化學(xué)成分符合ASTM A485-14中對(duì)牌號(hào)2的要求。

2.2 低倍組織及非金屬夾雜物檢驗(yàn)

軸承鋼低倍組織及非金屬夾雜物檢驗(yàn)的結(jié)果如表2所示，可見(jiàn)結(jié)果符合ASTM A485-14的技術(shù)要求，低倍組織形貌如圖2所示。

表1 試樣的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 試樣的低倍組織缺陷及非金屬夾雜物含量檢驗(yàn)結(jié)果

圖2 缺陷料段兩端的低倍組織形貌Fig.2 Macro-structure morphology of two ends of the defective material: (a) one end; (b) the other end

2.3 掃描電鏡和能譜分析

采用蔡司40MAT型金相顯微鏡對(duì)試樣1和試樣2的缺陷處進(jìn)行觀察，缺陷形貌如圖3～4所示。采用蔡司EVO18型掃描電鏡對(duì)缺陷部位的夾雜物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖5～6所示。從能譜分析結(jié)果來(lái)看，試樣1和試樣2夾雜物的化學(xué)成分都是以鋁、硅、鈣的氧化物為主，同時(shí)含有少量鈉、鉀、鎂、錳的氧化物。

圖3 試樣1的缺陷形貌Fig.3 Defect morphology of the sample 1

圖4 試樣2的缺陷形貌Fig.4 Defect morphology of the sample 2

圖5 試樣1的能譜分析位置及結(jié)果Fig.5 Analysis position and results of energy spectrum of the sample 1: (a) analysis position; (b) analysis result

圖6 試樣2的能譜分析位置及結(jié)果Fig.6 Analysis position and results of energy spectrum of the sample 2: (a) analysis position; (b) analysis result

3 分析與討論

3.1 皮下夾雜的來(lái)源

該爐鋼的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，低倍組織(除皮下)及非金屬夾雜物控制得較好，完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。從水浸式自動(dòng)超聲波探傷反射波及高倍分析可見(jiàn)，該缺陷位于皮下，為皮下夾雜缺陷。能譜分析結(jié)果顯示，非金屬夾雜物是以硅、鋁和鈣的氧化物為主，含少量鈉、鉀、鎂、錳的氧化物，這種成分特征表明非金屬夾雜物不是冶煉過(guò)程形成的內(nèi)生夾雜物，而是外來(lái)的非金屬夾雜物。外來(lái)的非金屬夾雜物來(lái)源主要為爐渣、耐火材料、保護(hù)渣和合金料，綜合分析這種皮下夾雜的成分特征與保護(hù)渣的成分特征相符，可以排除爐渣、耐火材料和合金料等外來(lái)夾雜物。模鑄保護(hù)渣的成分見(jiàn)表3，對(duì)比可以確定模鑄保護(hù)渣在澆鑄過(guò)程中卷入鋼錠皮下，形成皮下夾雜缺陷。

表3 模鑄保護(hù)渣成分

3.2 皮下夾雜的危害

皮下夾雜對(duì)軸承鋼的危害主要體現(xiàn)在使軸承滾動(dòng)體出現(xiàn)接觸疲勞繼而失效。接觸疲勞的破壞過(guò)程為疲勞裂紋的萌生、擴(kuò)展直至剝落[3]。鋼材內(nèi)部存在皮下夾雜，處于表層下的最大動(dòng)態(tài)切應(yīng)力處，就會(huì)成為疲勞裂紋的起源而形成裂紋，繼而擴(kuò)展至表面，形成剝落。

疲勞裂紋的擴(kuò)展一般可分為3個(gè)階段：第一階段，從裂紋的萌生到形成可以自由擴(kuò)展的裂紋尺寸；第二階段，裂紋擴(kuò)展到可以形成剝落源；第三階段，裂紋迅速擴(kuò)展，第一個(gè)剝落產(chǎn)生。而皮下夾雜缺陷在應(yīng)力作用下，已形成裂紋源，在滾動(dòng)體工作時(shí)受到切應(yīng)力的作用將會(huì)出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展，后續(xù)形成剝落失效。因而皮下夾雜缺陷直接影響著軸承的使用壽命，存在該缺陷的軸承滾動(dòng)體，使用壽命將會(huì)大幅降低。

3.3 皮下夾雜的控制

從化學(xué)成分已判定出該模鑄軸承鋼的皮下夾雜缺陷是由模鑄保護(hù)渣引起的。保護(hù)渣在澆鑄過(guò)程中與鋼液直接接觸，通常由于保護(hù)渣的質(zhì)量較輕，應(yīng)浮在鋼液的表面上。而皮下夾雜缺陷是由于保護(hù)渣被卷入至鋼液中，未能有效排出引起，因此需控制保護(hù)渣與鋼液的接觸過(guò)程，以避免卷渣。

在鋼錠模底部進(jìn)行鋪渣操作，在鋼液與保護(hù)渣接觸的初期，由于澆鑄過(guò)程流場(chǎng)非常不穩(wěn)，噴射、飛濺現(xiàn)象嚴(yán)重[4]，易造成保護(hù)渣卷入鋼液中。因而應(yīng)改用吊渣操作代替鋪渣操作，以防止?jié)茶T初期由于流場(chǎng)不穩(wěn)定使保護(hù)渣卷入鋼液中。

此外，該爐鋼生產(chǎn)時(shí)為雨季，保護(hù)渣容易吸收空氣中的水分形成局部塊狀，在鋼液與保護(hù)渣接觸后，塊狀保護(hù)渣被卷入鋼液中，而未能有效排出?；谏鲜龇治?，制作具有自動(dòng)攪拌功能的保護(hù)渣烘烤裝置，該裝置使用后，可有效保證保護(hù)渣中的水分含量滿足使用要求，同時(shí)消除保護(hù)渣因水分超標(biāo)形成塊狀的可能，使用的保護(hù)渣生產(chǎn)時(shí)均為粉面狀。由此解決了模鑄軸承鋼的皮下夾雜問(wèn)題，使模鑄軸承鋼的質(zhì)量穩(wěn)定性提高，滿足了重載、高速軸承滾動(dòng)體的質(zhì)量穩(wěn)定性要求。

4 結(jié)論及建議

在水浸自動(dòng)超聲波檢測(cè)某模鑄軸承鋼時(shí)，出現(xiàn)了連續(xù)橫波報(bào)警，經(jīng)綜合分析確認(rèn)為皮下夾雜缺陷。

該軸承鋼中的皮下夾雜是以硅、鋁、鈣的氧化物為主，并含有少量的鈉、鉀等氧化物，經(jīng)過(guò)對(duì)煉鋼過(guò)程及原輔材料分析，確認(rèn)皮下夾雜是由模鑄保護(hù)渣引起的。

通過(guò)吊渣代替鋪渣操作及自動(dòng)攪拌式保護(hù)渣烘烤裝置的應(yīng)用，可消除皮下夾雜缺陷，使軸承鋼的質(zhì)量更加穩(wěn)定。

[1] 馬永強(qiáng),湯天海,李濤,等.軸承鋼微小表面裂紋分析及對(duì)成品影響[J].物理測(cè)試,2012,30(6):34-36.

[2] 鐘順?biāo)?王昌生.軸承鋼[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2000.

[3] 徐鶴琴,汪久根,王慶九.滾動(dòng)軸承疲勞壽命的影響因素[J].軸承,2016(5):58-64.

[4] 周同軍,劉軍占,羅輝.數(shù)值模擬在優(yōu)化模鑄澆注工藝中的應(yīng)用[J].世界鋼鐵,2014,14(3):16-20.

Analysis and Control of Subsurface Inclusions of the Mould-Casting Bearing Steel

MA Yongqiang, CHENG Lijie, LIU Yufen, LI Tao

(Fushun Special Steel Co., Ltd., Dongbei Special Steel Group, Fushun 113001, China)

Continuous transverse wave alarm occurred to the mould-casting bearing steel during the automatic immersion-ultrasonic detection. Chemical composition analysis, macrostructure and non-metallic inclusion examination, scanning electron microscope and energy spectrum analysis were used to analyze the mechanism and causes of the defects. The results show that: the defects of the mould-casting bearing steel detected by ultrasonic were subsurface inclusions; the subsurface inclusions included the oxide of aluminum, silicon, calcium, and a small amount of the oxide of sodium, potassium and other elements; the cause of subsurface inclusions was that the protective slag was brought into the liquid steel in the casting process. The generation of such defects could be effectively avoided by measures such as slinging slag and baking slag.

mould-casting bearing steel; subsurface inclusion; defect; protective slag

10.11973/lhjy-wl201705007

2016-09-05

馬永強(qiáng)(1984-)，男，工程師，碩士，主要從事軸承鋼的研發(fā)和失效分析工作，myq1020@163.com

TB302.1

B

1001-4012(2017)05-0333-04