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        軸承套圈裂紋缺陷分析

        2021-06-07 02:22:34供稿袁野張群YUANYeZHANGQun
        金屬世界 2021年3期
        關(guān)鍵詞:結(jié)瘤軸承鋼點(diǎn)狀

        供稿|袁野,張群 / YUAN Ye, ZHANG Qun

        軸承套圈是具有一個(gè)或幾個(gè)滾道的向心滾動(dòng)軸承的環(huán)形零件,是由軸承鋼經(jīng)過(guò)鍛造、退火、車削、熱處理等工序加工而成的。要求軸承鋼具有高而均勻的硬度、耐磨性以及高的彈性極限,因而對(duì)鋼材化學(xué)成分均勻性、鋼質(zhì)純凈度、非金屬夾雜物的含量級(jí)別和分布狀態(tài)、碳化物的分布及其狀態(tài)等要求都十分嚴(yán)格,因此軸承鋼被視為是鋼鐵生產(chǎn)中要求最嚴(yán)格的鋼種之一。本鋼供給某軸承廠生產(chǎn)軸承套圈用的軸承鋼GCr15加工后個(gè)別軸承套圈表面出現(xiàn)條狀或點(diǎn)狀的細(xì)小裂痕,為了找出軸承套圈裂紋產(chǎn)生的原因,本文進(jìn)行了物理檢驗(yàn)分析與探討。

        實(shí)驗(yàn)研究

        工藝條件

        本鋼GCr15軸承鋼生產(chǎn)工藝為:電爐→LF精煉→VD處理→235 mm×265 mm連鑄坯→加熱→軋制→退火。

        軸承套圈加工工藝為:GCr15原材料→鍛造→車削→熱處理→磨削→磁粉檢測(cè)。

        GCr15軸承鋼經(jīng)軋制后主要獲得組織為細(xì)片狀珠光體和碳化物(Fe,Cr)3C。根據(jù)加工使用要求,一般需要經(jīng)過(guò)球化退火處理或淬火+低溫回火熱處理,經(jīng)過(guò)熱處理后組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的隱晶馬氏體和滲碳體顆粒,GCr15內(nèi)控化學(xué)成分見(jiàn)表1所示。

        對(duì)點(diǎn)狀和條帶狀裂痕兩種生產(chǎn)缺陷試樣進(jìn)行切割取樣,用掃描電鏡分別對(duì)裂紋缺陷的平面和剖面進(jìn)行觀察,并對(duì)裂紋內(nèi)部進(jìn)行能譜成分分析。

        裂紋平面分析

        在SEM下對(duì)試樣的缺陷表面進(jìn)行觀察,條帶狀裂紋的宏觀形貌如圖1(a),裂紋貫穿整個(gè)視場(chǎng),長(zhǎng)度為2.14 mm,局部放大如圖1(b),主要為斷續(xù)分布的小孔洞組成,并呈條帶狀密集分布,底部圓滑,無(wú)裂紋延伸傾向。對(duì)缺陷部位進(jìn)行能譜分析,化學(xué)成分主要為C、O、Cr、Fe,成分未見(jiàn)異常。在SEM觀察點(diǎn)狀缺陷為凹坑狀缺陷如圖1(c),缺陷邊緣與底部光滑,無(wú)裂紋延伸傾向?;瘜W(xué)成分與條帶狀裂紋缺陷一樣主要為C、O、Cr、Fe,成分未見(jiàn)異常。

        表1 GCr15軸承鋼內(nèi)控化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

        圖1 裂紋平面形貌:(a)條帶狀裂紋平面形貌;(b)條帶狀裂紋平面局部放大形貌;(c)點(diǎn)狀裂紋平面放大形貌

        裂紋剖面分析

        對(duì)兩種缺陷試樣部位進(jìn)行切割,然后對(duì)缺陷縱剖面進(jìn)行金相試樣的制備,在光學(xué)顯微鏡下觀察。

        條形缺陷部位未檢查到明顯異?,F(xiàn)象,只是缺陷部位略有下凹,判斷為坯料加熱時(shí)間較長(zhǎng),在軋制之前表面附著大量氧化鐵皮,軋制時(shí)由于物理震蕩脫落而形成凹坑;GCr15加工成軸承套圈后,由于車削深度不足,沒(méi)有達(dá)到原始凹坑深度,因此,留下不規(guī)則的條帶狀缺陷。此種缺陷不會(huì)向基體延伸,如材料對(duì)外觀無(wú)特殊要求,不會(huì)影響零件的正常使用。

        而在點(diǎn)狀缺陷部位附近發(fā)現(xiàn)有顆粒狀的非金屬夾雜物呈條帶狀分布,如圖2(a)所示,條帶的一端露出試樣表面,故使軸承套圈表面萌生出點(diǎn)狀缺陷。經(jīng)測(cè)量非金屬夾雜物長(zhǎng)度約為580 μm,寬度約為12 μm,在SEM下對(duì)非金屬夾雜物形貌進(jìn)行觀察,見(jiàn)圖2(b)所示,是由小顆粒狀?yuàn)A雜物團(tuán)聚集形成。對(duì)缺陷部位進(jìn)行能譜分析,結(jié)果見(jiàn)表2,化學(xué)成分主要為Fe、O、Mg、Al、Ca、S。大尺寸條狀?yuàn)A雜 物主 要 由 顆 粒 狀 的MgO·Al2O3、CaO-2Al2O3、CaS聚積而成,出現(xiàn)如此大尺寸的堆積型夾雜物,并且呈隨機(jī)分布狀,分析最可能的原因是水口結(jié)瘤物脫落導(dǎo)致。參照水口結(jié)瘤物成分,結(jié)瘤物主要有Al2O3、CaO和MgO組成,兩者含量基本相當(dāng)。

        圖2 裂紋剖面形貌:(a)點(diǎn)狀剖面形貌;(b)非金屬夾雜物形貌

        表2 非金屬夾雜物能譜分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

        分析與討論

        采用鋁脫氧的軸承鋼澆注過(guò)程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生侵入式水口結(jié)瘤現(xiàn)象,低氧含量的軸承鋼液中存在MgO·Al2O3、CaO·2Al2O3、CaO·6Al2O3等微小夾雜物粒子,由于熔點(diǎn)高、與鋼液間表面張力大,這些微小的夾雜物粒子在連鑄過(guò)程中易在水口內(nèi)壁沉積而導(dǎo)致水口結(jié)瘤。尺寸較小的夾雜物在凹形水口底部逐漸聚集在一起、慢慢長(zhǎng)大,很容易上浮至結(jié)晶器內(nèi)或黏附在浸入式水口底部。軸承鋼棒材中存在Al2O3、MgO·Al2O3、鈣鋁酸鹽等氧化物類不變形夾雜物易導(dǎo)致裂紋萌生[1-6]。

        對(duì)于軸承鋼這種超低氧的鋼水,通過(guò)VD真空處理,鋼水中的Al2O3、MgO·Al2O3高熔點(diǎn)固相夾雜物大多能被去除。但是澆鑄過(guò)程重新創(chuàng)造了熱力學(xué)條件,會(huì)再次產(chǎn)生高熔點(diǎn)固相夾雜物;另一方面耐材中的MgO受到鋼水侵蝕,也會(huì)產(chǎn)生高熔點(diǎn)的固相夾雜物MgO·Al2O3。為減少軸承鋼水口結(jié)瘤,應(yīng)控制鋼包水口下渣,減少中間包耐材侵蝕。

        結(jié)束語(yǔ)

        對(duì)兩種軸承套圈缺陷進(jìn)行分析表明:軸承套圈表面的條帶狀缺陷是軸承鋼表面氧化鐵皮脫落殘留的凹坑,不會(huì)向基體延伸;軸承套圈表面點(diǎn)狀缺陷是外生非金屬夾雜物萌發(fā)的裂紋缺陷,由于脫落的水口結(jié)瘤物未能及時(shí)上浮殘留于連鑄坯中造成的;軸承鋼生產(chǎn)過(guò)程中,為減少水口結(jié)瘤應(yīng)控制鋼包水口下渣,減少中間包耐材侵蝕。

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