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        GCr15軸承鋼熱剪切開裂失效分析

        2015-11-16 06:04:22金林奎袁裕光趙建國(guó)王春亮
        金屬加工(熱加工) 2015年11期
        關(guān)鍵詞:軸承鋼脆性斷口

        ■金林奎,袁裕光,趙建國(guó),王春亮

        1. 概述

        (1)GCr15軸承鋼主要用于制造滾動(dòng)軸承,是軸承專用鋼種,常用來(lái)制造工具、量具、機(jī)床軸類和冷作模具,最多用于軸承加工。軸承制品一般要承受高負(fù)載的表面接觸應(yīng)力,需要承受高強(qiáng)度的接觸疲勞,這就要求材料必須具有較高的強(qiáng)度和耐磨性,而且必須具有較高的沖擊壽命、斷裂韌度和良好的抗彎性能。因此,軸承鋼的熱處理工藝要求必須規(guī)范,同時(shí)對(duì)原材料的質(zhì)量要求也很高,特別是對(duì)材料的非金屬夾雜物含量要求非常嚴(yán)格。

        (2)直徑為90mm的GCr15軸承鋼,爐號(hào)為T213-8541、T213-8544、T213-8546、T213-8547。采用自動(dòng)下料機(jī)床進(jìn)行加熱剪切,加熱溫度正常控制在1050~1100℃。在原材料熱剪切過(guò)程中,操作工發(fā)現(xiàn)料坯批量開裂?,F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),圓鋼開裂的部位大多集中在橫截面上,距中心部位的直徑方向呈縱向裂開,裂紋的開口處沿切向應(yīng)力向下翻卷開裂(見(jiàn)圖1)。

        (3)原材料開裂的廢品率非常高,爐號(hào)為T213-8541的原材料廢品率達(dá)60%以上,其他爐號(hào)廢品率在20%~30%。該軸承鋼產(chǎn)品件屬于訂單生產(chǎn),即使發(fā)現(xiàn)圓鋼熱剪切批量開裂,仍然要保持供貨量,所以將爐號(hào)為T213-8546的原材料用完,爐號(hào)為T213-8541的原材料廢品率最高,已停止使用,其他兩個(gè)爐號(hào)圓鋼試用部分材料。

        GCr15原材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

        2. 化學(xué)成分分析

        在生產(chǎn)加工的過(guò)程記錄中,追溯到該批產(chǎn)品的原材料入庫(kù)批次號(hào),查找到原材料生產(chǎn)爐號(hào),以及對(duì)應(yīng)的材料牌號(hào)和圓鋼直徑。截取原材料樣塊,尺寸為25mm×25mm×15mm(長(zhǎng)×寬×厚),進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn),檢驗(yàn)設(shè)備為L(zhǎng)abs park5000精密直讀火花光譜儀。檢驗(yàn)結(jié)果表明,化學(xué)成分(見(jiàn)附表)符合材料標(biāo)準(zhǔn)要求。

        圖1 熱剪切失效件實(shí)物

        3. 金相檢驗(yàn)

        (1)金相組織觀察,熱剪切開裂的裂紋開口處有一條特別細(xì)長(zhǎng)的條狀非金屬夾雜物。經(jīng)金相顯微鏡100倍下測(cè)量,該夾雜物的長(zhǎng)度已經(jīng)超過(guò)100mm。在剪切應(yīng)力作用下,沿非金屬夾雜的端部形成脆性開裂。裂紋斷口的邊緣,顯示為曲折狀脆性斷裂的形貌特征(見(jiàn)圖2)。

        (2)在裂紋斷口的附近,有部分區(qū)域呈現(xiàn)韌窩狀的韌性開裂特征。圖3斷口的韌窩從左邊開始,向右邊繼續(xù)向前擴(kuò)展,延伸至非金屬夾雜物存在的地方,開始形成脆性沿晶裂紋。在脆性斷口的底部,有明顯的硅酸鹽夾雜物(見(jiàn)圖3)。由于非金屬夾雜物存在,部分區(qū)域呈現(xiàn)粗大的沿晶斷口。斷口邊緣附近,可見(jiàn)明顯的夾雜物脫落形成的孔洞。在沿晶斷裂的剝落坑兩旁,有韌性開裂的撕裂棱形貌特征(見(jiàn)圖4)。

        (3)材料的基體組織,被非金屬夾雜物分割成大小不等的塊狀。斷口邊緣的材料基體組織,在剪切應(yīng)力下即將被撕開的形態(tài)。這是由于非金屬夾雜物造成的典型沿晶開裂的特征(見(jiàn)圖5)。由于非金屬夾雜物的存在,使斷口處呈現(xiàn)多種形態(tài),韌性開裂的韌窩旁邊,是脆性沿晶開裂的夾雜物脫落坑,緊接著又是韌性特征的撕裂棱形貌特征。斷口邊緣附近,依然存在較多塊狀非金屬夾雜物(見(jiàn)圖6)。

        (4)隨著剪切速度的增加,部分區(qū)域呈現(xiàn)剪切唇的穿晶解理特征斷口。當(dāng)斷口迅速擴(kuò)展至非金屬夾雜物時(shí),會(huì)形成脆性開裂的臺(tái)階,斷口越過(guò)脆性開裂的臺(tái)階繼續(xù)向前擴(kuò)展。斷口附近同樣存在非金屬夾雜物,以及顯示組織疏松的顯微孔隙(見(jiàn)圖7)。因非金屬夾雜物造成的脆性開裂臺(tái)階更加明顯,斷口擴(kuò)展至夾雜物臺(tái)階處向內(nèi)延伸形成二次裂紋,且在二次裂紋的底部有大塊狀硅酸鹽夾雜物(見(jiàn)圖8)。

        (5)在非金屬夾雜物較嚴(yán)重的部位,可見(jiàn)大塊狀及斷續(xù)條狀分布的非金屬夾雜物,使斷口呈現(xiàn)曲折的脆性斷口。斷口明顯可見(jiàn)非金屬夾雜物及粗大晶粒的脫落坑,斷口附近存在顯微孔隙(見(jiàn)圖9)。在材料基體組織中,觀察到較為嚴(yán)重的顯微孔隙,這種缺陷組織是組織疏松的典型特征,它的存在會(huì)割斷基體的連續(xù)性,極易使材料形成應(yīng)力集中開裂(見(jiàn)圖10)。

        圖2 裂紋源夾雜物(100×)

        圖3 韌窩斷口(100×)

        圖4 沿晶斷口(100×)

        圖5 沿晶+撕裂棱(100×)

        圖6 韌窩+沿晶+撕裂棱(100×)

        圖7 夾雜物開裂處(100×)

        圖8 夾雜物開裂處(100×)

        (6)對(duì)材料組織中的非金屬夾雜物進(jìn)行檢驗(yàn),檢驗(yàn)部位分布大量的硫化物和硅酸鹽夾雜物。硫化物細(xì)系總長(zhǎng)度達(dá)100mm,夾雜物要求含量不允許超過(guò)2.5級(jí)(A類細(xì)系2.5級(jí),總長(zhǎng)度不大于65mm),見(jiàn)圖11。硅酸鹽粗系長(zhǎng)度達(dá)83mm,夾雜物要求含量不允許超過(guò)0.5級(jí)(C類粗系0.5級(jí)長(zhǎng)度不大于18mm)。實(shí)測(cè)夾雜物級(jí)別遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求(見(jiàn)圖12)。

        (7)熱剪切過(guò)程中,由于透熱爐加熱的高溫氧化,斷口表層的脫碳層較為嚴(yán)重。在表面脫碳層中,明顯可見(jiàn)因非金屬夾雜物造成的沿晶開裂二次裂紋(見(jiàn)圖13)。由于透熱爐加熱的時(shí)間短、溫度低,組織顯示為偽共析珠光體+細(xì)網(wǎng)狀碳化物,組織晶粒細(xì)小均勻。組織中明顯可見(jiàn)非金屬夾雜物脫落的粗大孔洞。由于剪切應(yīng)力的作用,在夾雜物孔洞的邊緣,已經(jīng)形成應(yīng)力集中開裂的顯微裂紋(見(jiàn)圖14)。

        4. 結(jié)論分析

        (1)原材料的非金屬夾雜物和顯微孔隙嚴(yán)重超標(biāo),特別是A類硫化物夾雜和C類硅酸鹽夾雜,已經(jīng)明顯超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18254—2002《高碳鉻軸承鋼》的技術(shù)要求范圍。

        (2)硫化物夾雜的存在,是由于材料自身的雜質(zhì)元素未能得到凈化。硅酸鹽夾雜是由于鋼液在造渣過(guò)程中沒(méi)有完全清除。非金屬夾雜物脆性大且強(qiáng)度低,與金屬基體組織的膨脹系數(shù)差別很大,因此非金屬夾雜物的邊緣應(yīng)力分布極不均勻。非金屬夾雜物的存在,破壞了金屬材料基體的連續(xù)性,使材料組織的脆性增大,韌性降低。

        (3)顯微孔隙是鋼錠擴(kuò)散退火的組織均勻化處理后,再經(jīng)過(guò)軋制而形成的。組織均勻化的擴(kuò)散退火,使液析區(qū)的碳化物回溶,液固兩相的膨脹系數(shù)不同,破壞了兩相區(qū)結(jié)合的牢固性,軋制變形的應(yīng)力使兩相區(qū)組織撕裂成顯微孔隙。

        (4)條狀分布的非金屬夾雜物,以及呈鏈狀分布的顯微孔隙,分割了材料基體組織,使基體組織的強(qiáng)度顯著降低。在熱剪切應(yīng)力的作用下,沿非金屬夾雜物及顯微孔隙的端部及邊緣形成裂紋源,然后隨著外加應(yīng)力使裂紋繼續(xù)擴(kuò)展,最終導(dǎo)致工件開裂失效。

        圖9 夾雜物剝落坑(100×)

        圖10 原材料顯微孔隙(100×)

        圖11 硫化物夾雜(100×)

        圖12 硅酸鹽夾雜(100×)

        圖13 夾雜物二次裂紋(100×)

        圖14 夾雜物脫落坑(100×)

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