某模鑄軸承鋼皮下夾雜缺陷的分析與控制

馬永強, 程麗杰, 劉玉芬, 李 濤

(東北特鋼集團 撫順特殊鋼股份有限公司, 撫順 113001)

實踐經驗

某模鑄軸承鋼皮下夾雜缺陷的分析與控制

馬永強, 程麗杰, 劉玉芬, 李 濤

(東北特鋼集團 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超聲波檢測時出現連續橫波報警。采用化學成分分析、低倍組織及非金屬夾雜物檢驗、掃描電鏡及能譜分析的方法，分析了缺陷的性質和產生的原因。結果表明：該模鑄軸承鋼超聲波檢測的缺陷為皮下夾雜；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，是由澆鑄過程中保護渣卷入鋼液中所致。對保護渣采用吊渣及烘烤等措施，可有效避免該類缺陷的產生。

模鑄軸承鋼；皮下夾雜；缺陷；保護渣

軸承的滾動體通常在拉應力、壓應力、剪切應力及摩擦力等交變載荷下工作[1]，隨著科學技術的不斷發展，軸承的工作環境越來越惡劣，對軸承的質量穩定性要求也在不斷提高，對軸承鋼的產品質量也提出了更高要求[2]。對于軸承滾動體材料的選擇，由于模鑄軸承鋼的低倍組織質量好于連鑄軸承鋼的，盡管模鑄的生產成本較高，歐美等發達國家的部分國際知名軸承制造商往往還是選用模鑄軸承鋼作為滾動體材料。對于模鑄軸承鋼應特別關注鋼材的皮下質量，皮下夾雜等缺陷可能導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生，是當前急需解決的主要問題。

某模鑄軸承鋼在水浸式自動超聲波檢測工序中出現連續橫波報警，說明軸承鋼表面或皮下存在缺陷。對報警處使用砂輪輕磨，未發現缺陷，重新進行超聲波檢測在相同位置再次出現報警，初步判斷為皮下夾雜。針對該模鑄軸承鋼生產過程中出現的皮下夾雜問題，筆者采用化學成分分析、低倍組織及非金屬夾雜物檢驗、掃描電鏡及能譜分析的方法，分析了皮下夾雜產生的原因，以期杜絕類似質量問題的再發生。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

軸承鋼的生產工藝流程為：電爐熔融→精煉→真空脫氣→模鑄→初軋開坯→連軋成材→磨光→水浸式自動超聲波探傷。將軸承鋼料段車削成鼓面形的圓柱體，可見在圓柱體表面出現兩條黑線，見圖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 試驗方法

對探傷不合格的區域截取料段，檢驗料段兩端的化學成分和低倍組織。在圓柱體出現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，得到的兩個試樣分別為試樣1和試樣2，如圖1所示。將兩個試樣研磨、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缺陷進行分析。

2 試驗結果

2.1 化學成分分析

軸承鋼試樣的化學成分如表1所示，可見其化學成分符合ASTM A485-14中對牌號2的要求。

2.2 低倍組織及非金屬夾雜物檢驗

軸承鋼低倍組織及非金屬夾雜物檢驗的結果如表2所示，可見結果符合ASTM A485-14的技術要求，低倍組織形貌如圖2所示。

表1 試樣的化學成分(質量分數)

表2 試樣的低倍組織缺陷及非金屬夾雜物含量檢驗結果

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型金相顯微鏡對試樣1和試樣2的缺陷處進行觀察，缺陷形貌如圖3～4所示。采用蔡司EVO18型掃描電鏡對缺陷部位的夾雜物進行能譜分析，結果如圖5～6所示。從能譜分析結果來看，試樣1和試樣2夾雜物的化學成分都是以鋁、硅、鈣的氧化物為主，同時含有少量鈉、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 皮下夾雜的來源

該爐鋼的化學成分符合標準要求，低倍組織(除皮下)及非金屬夾雜物控制得較好，完全符合標準要求。從水浸式自動超聲波探傷反射波及高倍分析可見，該缺陷位于皮下，為皮下夾雜缺陷。能譜分析結果顯示，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程形成的內生夾雜物，而是外來的非金屬夾雜物。外來的非金屬夾雜物來源主要為爐渣、耐火材料、保護渣和合金料，綜合分析這種皮下夾雜的成分特征與保護渣的成分特征相符，可以排除爐渣、耐火材料和合金料等外來夾雜物。模鑄保護渣的成分見表3，對比可以確定模鑄保護渣在澆鑄過程中卷入鋼錠皮下，形成皮下夾雜缺陷。

表3 模鑄保護渣成分

3.2 皮下夾雜的危害

皮下夾雜對軸承鋼的危害主要體現在使軸承滾動體出現接觸疲勞繼而失效。接觸疲勞的破壞過程為疲勞裂紋的萌生、擴展直至剝落[3]。鋼材內部存在皮下夾雜，處于表層下的最大動態切應力處，就會成為疲勞裂紋的起源而形成裂紋，繼而擴展至表面，形成剝落。

疲勞裂紋的擴展一般可分為3個階段：第一階段，從裂紋的萌生到形成可以自由擴展的裂紋尺寸；第二階段，裂紋擴展到可以形成剝落源；第三階段，裂紋迅速擴展，第一個剝落產生。而皮下夾雜缺陷在應力作用下，已形成裂紋源，在滾動體工作時受到切應力的作用將會出現裂紋擴展，后續形成剝落失效。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體，使用壽命將會大幅降低。

3.3 皮下夾雜的控制

從化學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渣引起的。保護渣在澆鑄過程中與鋼液直接接觸，通常由于保護渣的質量較輕，應浮在鋼液的表面上。而皮下夾雜缺陷是由于保護渣被卷入至鋼液中，未能有效排出引起，因此需控制保護渣與鋼液的接觸過程，以避免卷渣。

在鋼錠模底部進行鋪渣操作，在鋼液與保護渣接觸的初期，由于澆鑄過程流場非常不穩，噴射、飛濺現象嚴重[4]，易造成保護渣卷入鋼液中。因而應改用吊渣操作代替鋪渣操作，以防止澆鑄初期由于流場不穩定使保護渣卷入鋼液中。

此外，該爐鋼生產時為雨季，保護渣容易吸收空氣中的水分形成局部塊狀，在鋼液與保護渣接觸后，塊狀保護渣被卷入鋼液中，而未能有效排出。基于上述分析，制作具有自動攪拌功能的保護渣烘烤裝置，該裝置使用后，可有效保證保護渣中的水分含量滿足使用要求，同時消除保護渣因水分超標形成塊狀的可能，使用的保護渣生產時均為粉面狀。由此解決了模鑄軸承鋼的皮下夾雜問題，使模鑄軸承鋼的質量穩定性提高，滿足了重載、高速軸承滾動體的質量穩定性要求。

4 結論及建議

在水浸自動超聲波檢測某模鑄軸承鋼時，出現了連續橫波報警，經綜合分析確認為皮下夾雜缺陷。

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，經過對煉鋼過程及原輔材料分析，確認皮下夾雜是由模鑄保護渣引起的。

通過吊渣代替鋪渣操作及自動攪拌式保護渣烘烤裝置的應用，可消除皮下夾雜缺陷，使軸承鋼的質量更加穩定。

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

[2] 鐘順思,王昌生.軸承鋼[M].北京:冶金工業出版社,2000.

[3] 徐鶴琴,汪久根,王慶九.滾動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.數值模擬在優化模鑄澆注工藝中的應用[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(1984-)，男，工程師，碩士，主要從事軸承鋼的研發和失效分析工作，myq1020@163.com

TB302.1

B

1001-4012(2017)05-0333-04