GCr15SiMn鋼球開裂原因分析

王姍姍,梁 華,仇亞軍,朱 勇

(1.洛陽軸研科技股份有限公司,河南 洛陽 471039；2.赫比(上海)精密模具有限公司，上海 201206)

0 前 言

鋼球是軸承工業的重要組成部分.在軸承工業中,鋼球的加工方式主要有冷鐓、熱墩、熱軋和熱鍛等.加工過程中鋼球開裂的原因主要有原材料缺陷(顯微孔隙、非金屬夾雜物、發紋等)、冷鐓裂紋、軟磨疲勞、淬火裂紋及硬磨燒傷等.根據鋼球缺陷的不同形貌,在實際過程中采取相應的分析方法,對軸承鋼球開裂的原因進行分析和探討.

某公司送檢半成品鋼球一粒,規格為φ60 mm,材料為GCr15SiMn高碳鉻軸承鋼.鋼球加工工藝為:中頻感應加熱,始鍛溫度為1 050～1 120 ℃,由φ45 mm原材料鍛打至φ60 mm球坯.該批鋼材共有30多t,在熱處理時發現有十幾粒開裂.通過宏觀斷口分析、熱酸洗、金相及能譜分析等方法對鋼球開裂原因進行了分析.

1 檢驗與分析

1.1 宏觀形貌及斷口分析

送檢鋼球開裂為兩半,觀察鋼球的斷口發現:球心部的鍛造流線貫穿鋼球,為開裂的起源區;裂紋從鋼球的心部沿貫穿鋼球的鍛造流線向兩側擴展,最后導致鋼球完全開裂為兩半.鋼球的斷裂方式為脆性斷裂,從斷口的擴展區和斷裂區來看,斷口為細瓷狀,形貌見圖1.

圖1 鋼球的宏觀及斷口形貌Fig.1 Morpholpgy and fracture apperance of steel ball

1.2 金相檢查

將其中一半鋼球從中心垂直于兩極進行解剖,樣品經制備后放置在MG顯微鏡下觀察其心部的金相組織.結果發現:鋼球心部局部有裂紋,多處存在灰色的塊狀異物,如圖2所示.心部邊緣及裂紋兩側有嚴重的脫碳現象,但多處鐵素體的存在與裂紋的存在無關,如圖3所示.鋼球的淬回火組織按照JB/T 1255-2001標準評定為3級,網狀碳化物為2級,為合格組織,如圖4所示.

圖2 鋼球心部的塊狀異物Fig.2 Clumps foregin body in the core of steel ball

1.3 掃描電鏡及能譜分析

為了確定該缺陷的性質,將試樣采用超聲波清洗烘干后放置在JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡下，對鋼球心部灰色異物形貌進行觀察.結果發現:灰色異物大多呈條塊狀分布,色澤分淺灰和深灰兩種,其分布狀態及形貌見圖5.采用falcon能譜儀對鋼球心部的灰色異物進行定性成分分析.結果表明:鋼球心部灰色塊狀異物的化學成分主要為氧、錳、硅、鉻、鐵及少量的硅、鋁、鈦等;相比較而言,A處錳、鉻的含量高一些,而B處硅的含量高一些,其能譜曲線見圖6(見下頁).

圖3 鋼球裂紋兩側的脫碳組織形貌Fig.3 Decarburzation structure on either side of the steel ball crack

圖4 鋼球淬回火組織Fig.4 Heat treatment structure of steel ball

由此可以確定，鋼球心部的灰色塊狀異物主要為錳和硅的氧化物,為材料夾雜物.

1.4 熱酸洗檢查

將開裂的另一半鋼球按照JB/T 1255-2001標準進行熱酸洗,確定鋼球心部的鍛造流線沿軋制方向分布并貫穿兩極,其他未見異常.斷口的熱酸洗形貌見圖7.

圖5 鋼球心部塊狀異物SEM形貌Fig.5 SEM morphologies of clumps foreign body in the core of steel ball

圖6 鋼球心部的灰色異物能譜圖Fig.6 The energy spectrum curve of gray foreign body in the core of steel ball

圖7 酸洗后鋼球形貌Fig.7 The hot acid wash morphology of steel ball

2 結果與分析

縮孔是鋼水凝固過程中,由于體積收縮,在鋼錠或連鑄坯心部未能得到充分填充而形成的管狀或分散孔洞[1].一般集中在鋼錠的上部和冒口部分,正常情況下可以清除掉.但如果切除冒口量過少或由于其他原因，則會使縮孔深及鋼錠內部,而最終存在于被利用的成品材料之中,稱為縮孔殘余.在經熱酸洗后的低倍試片中心區域呈不規則的折皺裂縫或空洞,其上或附近常伴有嚴重的夾渣、成分偏析和疏松.

熱軋鋼球和冷沖壓成型鋼球的工藝過程不同,造成的材料流線形貌也不一樣,冷沖壓成型鋼球內部如有縮孔一般貫穿兩極,而熱軋成型鋼球由于材料塑性流動較大,尤其是對于軋制變形量較大的鋼球,若鋼材內部存在縮孔,經過熱軋后兩極可以完全封閉[2].

根據斷口、金相、熱酸洗、掃描電鏡和能譜分析，結果認為:鋼球開裂始于心部,并沿材料軋制方向由內向外開裂;鋼球的淬回火組織符合相關標準要求;鋼球心部存在大量的夾雜物和嚴重的脫碳現象為鋼材冶煉造成的冶金缺陷,屬于縮孔殘余.

3 結 論

鋼球心部存在縮孔殘余是引起鋼球開裂的主要原因.縮孔殘余嚴重地破壞了鋼材的連續性,是鋼材不允許存在的缺陷,軋制(鍛造)時必然會在鋼坯上產生裂紋.為了避免縮孔殘余遺留在成品鋼材中,建議正確設計鋼錠模和保溫帽尺寸,并采用性能優良的保護渣、保溫劑(發熱劑)和絕熱板,把縮孔控制在鋼錠頭部,以保證在開坯時切掉.控制澆鑄速度不要太快,溫度不要過高也可以減小縮孔的產生.

參考文獻:

[1] 鐘順思,王昌生.軸承鋼[M].北京:冶金工業出版社,2000.

[2] 雷建中,梁華.熱軋軸承鋼球心部孔洞分析實例[J].軸承,2010(8):41-42.