GCr15軸承鋼質量缺陷及改進措施分析

趙劍琪

（河鋼集團宣鋼公司技術中心，河北 張家口 075100）

GCr15軸承鋼質量缺陷及改進措施分析

趙劍琪

（河鋼集團宣鋼公司技術中心，河北 張家口 075100）

當前車輛以及機械設備、車輛上都需要軸承這種機械零件，軸承鋼是滾動軸承生產材料的專用鋼種。軸承鋼因為需要承受軸承工作中滾動體之間的高頻、變應力作用，機械構件的工作環境比較復雜，承擔的荷載非常集中。文章對GCr15軸承鋼的質量缺陷及改進措施進行了分析。

GCr15軸承鋼；金相檢驗方法；鋼材質量；裂紋；質量缺陷；改進措施

目前的軸承鋼中產量最大的鋼種當屬GCr15這種高碳鉻軸承鋼，軸承鋼在應用中多運用在強沖擊荷載以及交變荷載這種環境下，可見軸承鋼需要具備的鋼種功能。這種環境要求軸承鋼的硬度以及高接觸疲勞強度都能夠表現良好的性質，并且對于軸承鋼的韌性和淬透性具有品質要求。當前對于軸承鋼生產采用的工藝比較傳統，一般是利用連鑄技術，對比模鑄技術，連鑄產品的表面質量更優秀，并且連鑄的產品成材率與成本相比更優異。高碳鉻軸承鋼在其中心碳偏析的要求非常嚴格，所以模鑄仍然很重要。軸承鋼GCr15圓鋼（直徑28～70mm），此鋼種在進行頂鍛、低倍檢驗的時候，鋼材截面或表面常常會檢測出裂紋，這對鋼材的應用具有嚴重的影響。利用金相顯微鏡、掃描電鏡、能譜儀等先進設備對軸承鋼GCr15圓鋼進行金相顯微組織分析，能夠采集GCr15軸承鋼金相組織圖片，進一步展開膨脹、腐蝕情況、重構、灰度化處理，使裂紋圖片更加清晰，測量更加準確，并且能夠提取鋼材中的碳化物顆粒，通過種種數據計算鋼材中碳化物所占的比例，分析碳化物的不均勻情況，同時又能對裂紋的尺寸、內部形貌、內部夾雜進一步研究，進而評定出軸承鋼GCr15圓鋼的頂鍛、低倍出現裂紋的原因，綜合質量檢驗分析得出軸承鋼GCr15圓鋼的綜合力學性能。

軸承鋼GCr15圓鋼在進行頂鍛和低倍檢驗的時候，出現裂紋的研究與軸承鋼GCr15化學成分關系密切。

切割軸承鋼裂紋試樣，對裂紋試樣進行熱鑲嵌，再使用磨拋機進行磨制加工，隨后拋光處理，然后使用掃描電鏡觀察存在裂紋缺陷的平面、橫截面，通過儀器設備分析裂紋內部的能譜成分，使用能譜能夠分析出裂紋處以及周邊區域相關數據，最后使用4%的硝酸酒精進行腐蝕處理，處理后使用金相顯微鏡對裂紋及周邊再次進行關于組織變化的觀察。

1 軸承鋼GCr15圓鋼處理觀察過程

裂紋呈現出彎曲的狀態，測量得出其寬度大約為15μm，放大了裂紋圖像后，可以觀察到主要裂紋旁邊存在很多細微的樹枝狀分支裂紋，并且這些裂紋具有孔洞的特性。當前我國的生產、檢測設備較國外水平都有一定的落后，當前我國對于軸承材料的判別標準主要是觀察軸承套圈的尺寸精度等。對GCr15軸承鋼的觀察中得知，GCr15軸承鋼在經過0.1～1毫米/分的拉伸作用下，處于630℃～730℃之間溫度環境下能夠具備最優塑性，并且材料延伸率的最小值都能夠超過250%，對于GCr15軸承鋼超塑成型的應用提供了良好的環境。GCr15軸承鋼延伸率最高值通常情況下會在680℃時達到，并且δ-V曲線圖類似于吊鐘形，不同溫度的最適拉伸速度均存在峰值，超過峰值便會受拉伸速度的增減變化，并且材料的延伸率會慢慢降低。

2 金相圖片在讀取以及灰度化、濾波過程

金相圖片的試樣尺寸選擇1280*1024（像素），選擇的圖片不宜過大，過大的圖片在進行數據處理時非常緩慢，所以需要提前將圖片進行剪切處理，然后再進行灰度化處理。將維納濾波、非線性濾波以及對均值濾波進行對比分析，發現三種濾波中，維納濾波能夠得出在試樣圖片條件上最好的濾波效果，故選定使用維納濾波。研究對象在邊緣處與背景的灰度值存在顯著的差異，需要對其進行補充，這就需要提高研究分析精度，一般是將整個灰度圖像進行塊處理，然后就所有分區進行局部的灰度調整，這就造成了對應圖片灰度分析直方圖表現得比較均勻，調整整幅圖像的亮度可以進一步強化圖片邊緣的效果。

3 灰度圖像腐蝕及重構

因由圖像的操作是在二值化圖像基礎上展開的，所以圖像處理的效果非常不合理，這就會導致圖像的邊緣表達信息存在遺漏，在軸承鋼GCr15圓鋼的灰度圖片分析中，利用Marlab內的Imerode以及Imreconstruct兩種函數展開處理，能實現灰度圖片的腐蝕和重構相關操作，這樣重復進行腐蝕處理所展現的軸承鋼GCr15圓鋼灰度圖像。觀察母材的金相圖可以明顯地看出材料表面的缺陷和問題，存在大量的氧化物，在腐蝕處理之后，裂紋處并不會顯現出氧化原點，且未發生脫碳現象，可見連鑄這種加工工藝并不會造成鑄坯產生裂縫。

4 裂縫形成原因

在研究中發現，酸洗處理的鋼料母材上有著斷斷續續的裂紋，其頂鍛出現開裂的原因也正是因為母材表面上的毫無規律的裂紋，這些裂紋的產生原因并非是生產軋制過程中受到剮蹭或折疊加工所產生的。

在金屬相關研究領域，一般是將晶界視為強化元素，并且在晶界所具備的鍵合力要強于晶內，弱化后的晶界會發生沿晶脆斷。因為晶界的沉淀相引起的沿晶斷裂一般是受晶界夾雜物質與第二相沉淀產生的，析出相在晶界上往往是球狀或棒狀、樹枝狀等，都不具有連貫性，一般會占50%以上的晶界表面，并且沉淀相越多的晶界其能夠承擔的斷裂應力就越低。因為回火脆性所導致的晶界弱化是低合金鋼中雜質元素偏聚發生晶界弱化的典例。金屬周邊的介質環境也能夠通過侵蝕導致沿晶斷裂的發生，這種斷裂形式一般有相對較高強度鋼的氫脆、應力腐蝕。高溫狀態下，因焊接、磨削導致的斷裂等也很常見。一般這種裂紋會在第二冷卻階段產生，并且中心裂紋常常是因為鑄坯縮孔或中心部位裂紋導致，軋制加工的過程中常常會受焊合導致，冶煉以及澆鑄工藝在操作時都會受到一定程度的影響。

5 改進方式

鋼材裂紋對于頂鍛加工的合格率具有巨大影響，在軸承鋼的煉制過程中，需要控制精煉爐渣中夾雜物的量，需要特別注意其中氧化物夾雜量，并且對夾雜物的性質和形態都要多加控制，塑性夾雜物所占的比例應當有所增加，而類似CaO類型的球類夾雜物需要盡可能減少，鋼材中的硫含量也需要多加注意，減少硫的含量。因為裂紋導致的缺陷對頂鍛缺陷而言占總數的90%以上。為了減少這一缺陷，需要減少連鑄坯的皮下氣泡，這樣就能夠避免因為皮下氣泡軋制過程中破裂導致裂紋產生。目前的軸承鋼在生產中所運用的主要是連鑄法工藝，對比另一種常見的模鑄工藝而言，連鑄生產的鋼材具有更好的表現質量，連鑄生產的產品損耗比較低，成本利用率則較高。但高碳鉻軸承鋼在其中心碳偏析的要求非常嚴格，所以模鑄仍然很重要。鑄坯過快的加熱或者加熱不均勻，甚至溫度不夠高都可能會使軋件單道次變形相關指標增大，在軋件的內部金屬延伸以及寬展表現的不均等，掌握溫度環境能夠一定程度的避免裂縫產生。

6 結語

利用金相觀察技術，分析出重要的鋼材質量缺陷，鋼材的此類缺陷對于鋼材質量的影響非常重要。為了減少GCr15軸承鋼裂紋的產生以及其他鋼材質量問題，借助高效科學的檢測方法對于生產GCr15軸承鋼具有重要意義，能夠優化相關鋼材的生產形式、技術，提高鋼材質量。當前各種工業設備對于軸承鋼的應用非常多，當前車輛以及機械設備、車輛上都需要軸承這種機械零件，這種作為滾動機械的重要零件，承受軸承工作中滾動體之間的高頻、變應力作用，零件的工作環境比較復雜，承擔的荷載非常集中。軸承鋼GCr15圓鋼（直徑28～70mm）進行頂鍛、低倍檢驗時出現裂紋，通過金相檢驗方法等科學的鋼材質量檢查方法，能探尋分析出重要的鋼材質量缺陷，并能夠就主要質量缺陷研究總結出改進對策，優化升級鋼材的生產和檢驗，從根本上提高鋼材質量。

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（責任編輯：黃銀芳）

TF762

1009-2374（2017）07-0039-02

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.018

趙劍琪（1978-），女，河北張家口人，河鋼集團宣鋼公司技術中心工程師，研究方向：鋼材金相檢驗。

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