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”工藝生產供應某軸承廠的GCr15鋼，協議規定直徑范圍Φ50～Φ90，在生產初期，采用Φ90規格GGr15鋼制造的型號R250-3建機軸承，最終檢查時3件成品軸承的內徑上存在裂紋。宏觀腐蝕、微觀金相觀察和掃描電鏡分析等方法確認套圈內徑裂紋是鋼材中心區域顯微裂紋在鍛造套圈后未能充分焊合而殘留下來所致，通過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生，從而有效杜絕該類質量問題的發生。

1 宏觀檢查

目測缺陷呈線形開口于軸承套圈內壁，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，可見缺陷開口位于偏析嚴重處。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口位于鋼材偏析嚴重部位，圖3和圖4清晰地顯示出缺陷沿長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，未出現粗大的網狀碳化物。

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 氧化物質點檢查

缺陷樣品金相拋光觀察效果如圖8所示，發現在缺陷兩側金屬有大量彌散、或條狀的氧化物，基本呈現網絡狀分布。掃描電鏡下分析效果如圖9和圖10所示，確認為Si、Mn、Cr和Fe的氧化物,沒有發現Al、Mg和Ca與冶煉相關的特征元素。

圖8 氧化物金相照片 200X

圖9 氧化物掃描電鏡照片

圖10 氧化物質點掃描電鏡能譜圖

為了分析氧化物的產生來源，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沒有任何氧化物，金相圖片如圖11所示，然后將這塊樣品在試驗室無保護氣氛的小電爐內爐門緊閉的情況下按750℃保溫*14小時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，確認為Si、Mn和Cr的氧化產物。

圖11 熱處理前裂紋尖端無任何氧化物 500X

圖12 熱處理后裂紋尖端 出現氧化物 500X

圖13 熱處理后裂紋尖端出現氧化物的能譜圖

3 檢查結果與討論

3.1 檢查結果

宏觀檢查流線特征清晰地顯示出缺陷開口位于鋼材偏析嚴重部位，據此可以排除鋼材表面原始缺陷因素，推斷可能與偏析相對嚴重的鋼材中心位置相關。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，且無網狀碳化物，說明鍛造時加熱溫度正常，裂紋套圈淬火加熱溫度正常，均無過熱和過燒現象，排除套圈鍛造過程、淬火過程中產生裂紋的可能。微觀檢查缺陷處帶狀組織清晰地顯示出缺陷實際上顯微裂紋，且裂紋分布在碳化物帶狀聚集處，結合宏觀檢查結果，推斷鋼材偏析嚴重的中心區域應該存在顯微裂紋。

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，而沒有Al、Mg和Ca等與冶煉過程相關的化學元素。試驗室結果表明，新鮮裂紋在740℃保溫一定時間后兩側金屬將會生成Si、Mn和Cr的氧化物。說明這種氧化物并不是冶煉過程中產生的非金屬夾雜物，而應該是熱處理過程中套圈中顯微裂紋形成了爐氣進入的通道，鋼中的合金元素被氧化的結果。

3.2 分析與討論

球化退火是軸承制做過程中一項必須環節，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，當氧擴散到合金內部并當氧超過一定濃度后,在合金表層內與氧親和力比鐵大的合金元素Si、Mn和Cr有可能被氧化，即內氧化，內氧化產物最常見的形式為點狀、線狀或晶格狀氧化物。文獻1采用Fe2O3:Fe:Al2O3=1:1:1的混合粉末,對GCr15經過內氧化處理后同樣觀察到了素Si、Mn和Cr的內生氧化物。文獻2指出次生氧化皮是在氧化皮生成速度極小時發生的內部氧化層，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3指出由于選分結晶的特點，鋼液澆注時會產生溶質元素在固相和液相中再分配，導致元素分布的不均勻性和疏松產生。由于GCr15碳含量1.00%,從Fe-C平衡相圖可以發現，具有較寬的液固兩相區，凝固過程經歷的時間越長，更容易產生偏析，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散系數小，而且還會降低碳及其他元素在奧氏體上擴散系數，所以高碳鉻軸承鋼最終形成的偏析比較大。連鑄工藝水冷結晶器的采用和二冷段噴水強制冷卻，鋼液凝固時與模鑄不同，柱狀晶特別發達，易偏析元素被推向鑄坯中心，連鑄坯的偏析比較集中，因此不但存在樹枝干和枝晶的顯微偏析，也會產生宏觀上的中心碳偏析。為了降低鋼中樹枝狀偏析程度，除了合理控制結晶條件外，還要在加熱過程中施行擴散退火，使偏析元素擴散均勻。偏析元素在高溫下的擴散過程隨著溫度升高而急劇地加速，所以從擴散的角度考慮，高碳鉻軸承鋼的加熱溫度應該盡量提高，成分均勻的GCr15鋼熔化溫為1225℃～1240℃，但是連鑄坯中軸心區樹枝狀偏析最嚴重，存在宏觀偏析。所以當生產過程對連鑄坯施以正常高溫擴散退火時，中心區域鉻、碳及雜質含量較高的高濃度區域實際的熔化開始溫度要低一些，可能引起軸心區過燒而形成顯微裂紋。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圓的產品直徑比較大，已經達到雙方允許的上限，軋制后裂紋沒有充分的焊合。

中心偏析形成有兩種機理，“凝固橋”和“鼓肚”理論，不論那種機理，中心偏析都是凝固殼鼓肚或凝固收縮引起樹枝晶間富集殘余溶質的母液流動而使局部溶質富集的結果。為此在凝固末期采用壓縮技術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，以補償由于凝固過程中體積收縮而產生的中心疏松和縮孔，從而減輕或避免枝晶間濃化鋼液發生流動，達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擴散過程中軸心過燒而產生中心顯微裂紋的最有效手段。

4 輕壓下效果對比

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

4.1 低倍及CS對比分析

在軋制鋼材中間過程的140mm*140mm方坯上取樣做低倍檢查，并連續切取82片樣對中心位置采用5mm鉆頭取樣進行碳硫儀分析，碳的分析結果與熔檢成分的比值稱做碳偏析指數，碳偏析指數用來衡量中心碳偏析的嚴重程度。無輕壓下和有輕壓下的低倍圖片分別如圖14和圖15所示，碳偏析指數分布圖如圖16所示。低倍圖片對比可以看出，有輕壓下的低倍質量好于沒有采用輕壓下的，有輕壓下低倍組織的更加致密，無明顯的中心宏觀偏析。有輕壓下的中心碳偏析指數明顯低于無輕壓下的，且有輕壓下的中心碳偏析指數更加穩定，無輕壓下的中心碳偏析指數極差0.35，而有輕壓下的碳偏析指數極差0.11。

圖14 無輕壓下低倍圖片

圖15 有輕壓下低倍圖片

圖16 無輕壓下和有輕壓下碳偏析指數對比

4.2 原位分析對比效果

中間坯中心部位80mm*80mm的區域采用原位統計分布分析，無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。以無輕壓下的結果為基準結果，輕壓力下與無輕壓下的C元素統計偏析度、C元素最大偏析度、C元素統計均勻度、致密度，統計疏松度結果的比值如下圖19圖和圖20所示，可見采用輕壓下的中間坯好于沒有采用輕壓下的。

圖17 無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 偏析度和均勻度結果對比圖

圖20 致密度和疏松度結果對比圖

4.3 高頻檢查對比效果

采用10MHZ頻率的探頭對Φ90鋼材進行水浸高頻探傷檢查，各統計一年時間的檢查數據，不采用輕壓下的鋼材中心區域顯微裂紋缺陷出現率為2.25%，顯微裂紋的典型C掃描圖如圖21所示，對缺陷定位分析的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域，對圖22缺陷的金相解析金相圖片見圖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域顯微裂紋缺陷出現率為零。

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 客戶應用跟蹤

對客戶應用跟蹤，使用不采用輕壓下的Φ90鋼材制做的軸承裂紋偶然發生，發生率為萬分之3.26，而使用采用輕壓下的Φ90鋼材制做的軸承裂紋不再發生。

5 結論

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