摘 要：直徑350mm以上的大圓軸承鋼材料，一般用來制造比較大的軸承套圈，經(jīng)常出現(xiàn)因冶金缺陷造成報廢的現(xiàn)象，由于缺陷的特殊性，往往誤判為鍛造過燒。通過觀察缺陷斷口處的宏觀及微觀特征，分析得出材料本身存在低熔點(diǎn)物質(zhì)并呈條帶狀分布，在加熱過程中溶化并伴隨晶粒長大，最終導(dǎo)致制造過程中產(chǎn)品出現(xiàn)缺陷。

關(guān)鍵詞：條帶狀過燒；網(wǎng)狀碳化物；硫化物；混合物熔點(diǎn)

隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的需要，大型軸承市場需求量日益的增長，質(zhì)量要求也越來越高。而軸承質(zhì)量又受鍛件的材質(zhì)與加工工藝等諸多因素的影響。材料缺陷可以在軸承制造過程中的任何工序表現(xiàn)出來。由于其特殊性，通常的做法是將帶有材料缺陷的軸承報廢，這樣又極大地降低生產(chǎn)效率。在國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18254《高碳鉻軸承鋼》中對多種缺陷進(jìn)行了描述和規(guī)定，但并不能包括所有性質(zhì)的缺陷。利用直徑350mm，450mm或500mm的大圓材料加工的NNU41/600M、341/600CAK、232/600CA、232/530、23296CAW33、241/560CAW

33、232/500CA、230/670CA多次出現(xiàn)同種性質(zhì)的質(zhì)量問題，文章以232/600CA為例，對有缺陷的軸承套圈取樣做低倍檢驗(yàn)、能譜分析和超聲波探傷，并對比分析缺陷的原因。

1 套圈加工過程中各階段缺陷的表現(xiàn)形式

大型套圈的鍛造，往往采用直徑比較大的圓材進(jìn)行加工，比如直徑350mm、450mm或500mm等鍛材，缺陷主要表現(xiàn)在磨加工到成品后，終檢階段發(fā)現(xiàn)在套圈內(nèi)徑存在缺陷，由于缺陷的特殊性，往往誤判為鍛造過燒。個別時候，在車加工過程中偶爾也有出現(xiàn)。這種缺陷在各個階段的表現(xiàn)如圖1-圖5。

2 缺陷特征

2.1 缺陷斷口處宏觀特征

缺陷表露在零件的內(nèi)徑和端面，從外形看，極似鍛造溫度高形成的過燒現(xiàn)象，為了更好的分析缺陷的形成原因，我們?nèi)в斜容^嚴(yán)重缺陷的套圈進(jìn)行機(jī)械破碎，在缺陷處斷口形貌如圖6-圖8。

在宏觀斷口下，套圈內(nèi)徑缺陷在斷口上的表現(xiàn)1，與鍛造內(nèi)徑?jīng)_孔時的折疊非常相似，但在套圈內(nèi)徑缺陷在斷口上的表現(xiàn)2就可以明顯看出，這種缺陷與的內(nèi)徑?jīng)_孔時的折疊有明顯區(qū)別，缺陷處可見粗大晶粒，呈沿晶開裂，但缺陷周圍基體無過燒痕跡，嚴(yán)格區(qū)別于普通的鍛造過燒特征，說明缺陷的形成與鍛造溫度無關(guān)。

圖8是從外觀檢驗(yàn)沒有任何缺陷，但經(jīng)超聲波探傷，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在一定尺寸的空洞，經(jīng)壓力破碎，以缺陷點(diǎn)為中心，形成放射型擴(kuò)展開裂。

2.2 缺陷斷口處微觀特征

將圖7試樣沿套圈軸向方向切割，進(jìn)行磨制做微觀金相組織檢驗(yàn)，微觀形態(tài)如圖9-圖12所示。

在圖9中可以觀察到，孔洞是沿碳化物帶分布，并呈沿晶開裂。圖10是圖9顯微觀察位置向下略微偏移的照片，主要表現(xiàn)的是：孔洞周圍的基體組織完全與其它位置的組織不同的情況。

圖11、圖12表現(xiàn)的更為突出，孔洞在高碳區(qū)沿晶開裂。

2.3 微區(qū)能譜分析

為更準(zhǔn)確地確定缺陷類型，我們對樣品進(jìn)行了微區(qū)分析，主要是針對微區(qū)內(nèi)化學(xué)成分，由于在軸承套圈加工過程中，缺陷沒有暴露在空氣中與空氣接觸，所以微區(qū)內(nèi)成分應(yīng)該是材料本身帶有的。

用能譜分析對圖13中白色方框區(qū)域進(jìn)行面掃描分析，此部分為孔洞邊沿位置。

面掃描能譜分析為：6.94% S，16.47% Cr，76.59% Fe（均為原子百分?jǐn)?shù)）；換算成重量百分?jǐn)?shù)為：4.16% S；15.99% Cr；79.85% Fe。可見，硫含量較高（4.16%，重量百分?jǐn)?shù)）。

用能譜分析對圖13中白色方框區(qū)域進(jìn)行面掃描分析，此部分同樣為孔洞邊沿位置。

圖15為在試樣其他裂紋中顆粒的形貌，對圖5中的白色方框（紅色箭頭所指）進(jìn)行能譜分析，能譜分析結(jié)果見表1。

其中，硫含量較高（2.37%，重量百分?jǐn)?shù)）。

3 缺陷形成原因分析

從套圈加工過程中各階段缺陷的表現(xiàn)形式來看，缺陷具有一定的特征，比如呈條帶狀、沿軸向分布等，從斷口形貌也可以得到證實(shí)。

圖6的斷口表現(xiàn)的缺陷類似于鍛造夾皮造成的，但微觀檢驗(yàn)結(jié)果確認(rèn)不是鍛造夾皮，因?yàn)樵谌毕葜車匆婂懺旒昂蠊ば蚣訜嵘a(chǎn)的脫貧碳現(xiàn)象，這是非常有力的證明。

通過對上述所有試樣的分析，我們確認(rèn)缺陷都具有相同的形貌特征，低倍表現(xiàn)為黑點(diǎn)或是條帶狀過燒，微觀是開裂的孔洞，周圍有一定程度的較大的碳化物聚集，組織晶粒粗大，這些特征都和過熱過燒缺陷吻合，從表面現(xiàn)象看，說明缺陷是過燒造成的，但為何在比較低的加熱溫度下形成此類缺陷，就值得進(jìn)行探討。

這種問題是產(chǎn)生在零件內(nèi)部局部區(qū)域過熱造成的鍛造開裂，沒有和表面聯(lián)通，沒有脫碳，由于產(chǎn)生于碳化物處，缺陷處可以看到碳化物的聚集。進(jìn)行掃描電鏡分析，在缺陷部位附近有五害元素等低熔點(diǎn)物質(zhì)的聚集。

鋼錠結(jié)晶時存在枝晶偏析，枝晶間是碳硫磷偏聚部位，結(jié)晶后存在碳化物的聚集，這個部位由于雜質(zhì)元素的聚集，又低于基體的熔點(diǎn)，這是高碳鋼共同特點(diǎn)，有資料進(jìn)行過具體的分析，此類碳化物與硫、磷聚集在一起時，其熔點(diǎn)為960℃。就是在正常的鍛造溫度下，由于局部物質(zhì)的熔點(diǎn)低于鍛造溫度，過燒首先會出現(xiàn)在局部熔點(diǎn)較低處。這就是我們看到零件內(nèi)部存在局部過熱過燒缺陷的原因。由于鋼材加工時的縱向金屬流變，枝晶偏析條帶呈縱向分布，局部的過熱過燒也會有一定的方向性。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了證實(shí)所有檢驗(yàn)結(jié)果及分析，我們通過多種方式來證實(shí)套圈加工過程中表露的缺陷是因?yàn)椴牧蠁栴}所致。

首先，將沒有進(jìn)行任何處理的原材料棒材進(jìn)行探傷，在確認(rèn)探傷合格的情況下，分不同位置將棒材進(jìn)行解剖，切割成厚度25mm左右的試片，經(jīng)高、低倍檢驗(yàn)合格后采用鍛造爐內(nèi)加熱，在1000～1100℃溫度下，保溫30分鐘后直接進(jìn)行水淬火。然后用機(jī)械方法將試片破碎成多塊，分別檢驗(yàn)斷口型貌，圖17是比較典型的斷口型貌之一。

圖中白色箭頭指示的位置，明顯看到孔洞的存在，孔洞直徑約5mm，如果原材料中存在這樣大小的孔洞，探傷是可以發(fā)現(xiàn)的，所以說孔洞是在后續(xù)的加熱過程中形成的。圖片中沿白色線條，可以看到明顯的粗大晶粒呈線狀分布，即，材料中出現(xiàn)了呈線狀分布的過燒帶。此試樣解剖分析，孔洞周圍特征與套圈上的空洞特征（見圖9-12）完全吻合。

我們要注意的是，材料經(jīng)探傷、高、低倍檢驗(yàn)，沒有發(fā)現(xiàn)問題，在熱處理階段，加熱溫度完全低于軸承套圈的鍛造溫度并且沒有經(jīng)過任何壓力加工，這就說明，缺陷是材料本身具有的，但高倍組織、低倍酸洗及探傷不能發(fā)現(xiàn)，只在加熱過程中形成。也就是材料本身存在低熔點(diǎn)物質(zhì)并呈條帶狀分布，在加熱過程中溶化并伴隨晶粒長大，孔洞邊沿的能譜分析說明低熔點(diǎn)物質(zhì)的存在。

此材料按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)都是合格的，但經(jīng)過1000℃加熱淬火，還是會出現(xiàn)問題，那就說明一個問題，國家現(xiàn)行的GB/T18254標(biāo)準(zhǔn)，只是規(guī)定了已知的、一般性質(zhì)的缺陷及合格級別，我們應(yīng)該認(rèn)識到一個問題，那就是標(biāo)準(zhǔn)不能含蓋所有的、未知的缺陷，我們討論的這種缺陷，只是其中的一種。

為慎重起見，我們用原來出現(xiàn)問題的原材料加工一定數(shù)量產(chǎn)品，在產(chǎn)品的鍛造過程中，進(jìn)行了跟蹤并對加熱溫度進(jìn)行了多次檢測，在加熱過程中，最高爐內(nèi)溫度1180℃，保溫時間也足夠透燒，即使如此，產(chǎn)品在磨加工后依然存在原來的缺陷，這也說明，軸承套圈此類缺陷的產(chǎn)生，與鍛造無關(guān)。

5 材料缺陷的解決方法及效果

由于此類材料缺陷，在一段時間內(nèi)出現(xiàn)在多家鋼廠提供的材料上，在認(rèn)清缺陷產(chǎn)生的原因后，先后與各鋼廠進(jìn)行溝通，共同探討解決方法，制訂解決措施。

（1）適當(dāng)提高錠材的擴(kuò)散溫度，延長擴(kuò)散時間，解決微區(qū)化學(xué)成分的均勻性。

（2）增加鍛造大圓料鋼錠重量，達(dá)到增加鍛造比的目的。

（3）采用反復(fù)鍛造方式進(jìn)行鍛造，破壞材料內(nèi)部條帶狀碳化物的分布形態(tài)。

各個鋼廠根據(jù)特有的生產(chǎn)條件和實(shí)際狀態(tài)，采用以上或其中兩條措施，使問題明顯得到改善，后期提供的材料加工的軸承產(chǎn)品，此類缺欠幾乎不再出現(xiàn)。

6 結(jié)束語

（1）缺陷都具有相同的形貌特征，低倍表現(xiàn)為黑點(diǎn)或是條帶狀過燒，微觀是開裂的孔洞，周圍有一定程度的較大的碳化物聚集，組織晶粒粗大。

（2）鍛造過燒是產(chǎn)生在零件內(nèi)部的局部區(qū)域的過熱造成的開裂缺陷，沒有和表面聯(lián)通，沒有脫碳，從而碳化物聚集。

（3）缺陷周圍無氧化或脫碳現(xiàn)象，說明缺陷在鍛造、熱處理過程中沒有暴露在加熱氣氛中，缺陷與鍛造的折疊及夾皮無關(guān)。

（4）無論是套圈端面空洞缺陷，還是套圈內(nèi)徑類似于鍛造過燒缺陷的空洞，其形成原因是材料本身具有的內(nèi)部缺陷所致。

（5）材料內(nèi)部帶狀分布的碳化物及隨之分布的夾雜，會造成局部熔點(diǎn)較低。

（6）一些特殊的材料缺陷在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T18254并沒有體現(xiàn)，在用戶訂購材料時應(yīng)增加相應(yīng)的附加條款。