模鑄軸承鋼線材中心黑心問題分析

郭立波 周偉基 高惠菊

（東北特殊鋼集團，大連 116105）

1 前言

軸承鋼主要用來制造滾動軸承,如滾珠、滾針和軸承套圈等制品，近期，我公司生產的軸承鋼C&U1 等鋼種低倍檢驗時出現批量黑心問題，近期連續3 個月統計的合格率分別為86.35%、77.82%、83.21%，低于公司要求(連續3 個月按生產數量統計的合格率應為90%以上)，嚴重影響我公司軸承鋼生產的質量，為查清黑心問題產生的原因，現對出現黑心的爐號進行取樣分析，分別取了退火態和熱軋態缺陷樣品，從化學成分、金相組織、微區成分等方面做對比分析。

2 生產工藝

C&U1 生產工藝流程為轉爐/電爐→鋼包精煉爐精煉（110 t LF 爐）→真90%空脫氣（RH 爐）→模鑄4.2 t 鋼錠→開坯→緩冷→磁粉探傷→點磨→軋線材→酸洗→退火→檢驗。

3 理化檢驗

3.1 化學成分分析

從C&U1 鋼棒上切取橫向試樣，使用CS230 型紅外碳硫儀和ARL4460 型直讀光譜儀分析其化學成分，結果見表1。

表1 C&U1鋼化學成分分析結果（質量分數） %

由表1 可知，試樣化學成分符合標準要求。

3.2 理化檢驗

軸承鋼C&U1 的中心黑心缺陷如圖1 所示,在尺寸Φ4.5～Φ12.5 mm 退火線材產品做低倍出廠檢驗時發現,試樣在低倍酸洗后中心位置呈現2～6 mm 的圓形黑點,有的黑點面達到了橫截面的3/4，即為黑面。統計發現，所有的中心黑心或黑面缺陷均出現在鋼錠的頭部(近帽口端)。

圖1 退火態黑心、黑面缺陷試樣

3.2.1 退火材金相檢驗

取橫向黑心試樣，4%的硝酸酒精溶液腐蝕后觀察，金相組織如圖2 所示。黑心在顯微鏡下為一些不連續的蜂窩狀腐蝕孔洞,孔洞由中心向四周擴展，中心位置比較聚集,試樣邊緣區域沒有孔洞。腐蝕孔洞較淺，深磨后腐蝕孔消失，心部與邊部都為球狀珠光體組織，如圖2a、圖2b 所示。

圖2 退火態試樣金相組織

取縱向試樣，4%的硝酸酒精溶液腐蝕后觀察，心部可見清晰的暗色條帶，端部可見橫向腐蝕孔洞深度，邊部組織較均勻，無偏析條帶，如圖2c～圖2f 所示。

3.2.2 退火材掃描電鏡及能譜分析

掃描電鏡下微觀形貌如圖3 所示，能譜分析位置如圖4所示，成分分析結果見表2～表3。

圖3 退火態橫、縱向試樣電鏡下微觀形貌

圖4 退火態腐蝕坑內外能譜分析位置

表2 腐蝕坑內能譜分析成分結果%

表3 腐蝕坑外能譜分析成分結果%

橫向試樣中心處黑心部分為近似圓形的腐蝕孔洞，孔洞深淺不一，如圖3a、圖3b 所示。縱向試樣心部可見細長條帶，條帶內分布大量顆粒物，如圖2c～圖2f 所示。通過能譜對條帶內外成分分析，分析位置如圖4a、圖4b所示，條帶內C、Cr含量高于基體，存在C、Cr 偏析，條帶內聚集顆粒物經能譜分析為Cr的碳化物，成分見表2。因此,低倍下試樣中心呈現出的黑點區域，初步判斷源于鑄錠過程,鋼錠帽口端的碳、鉻等元素的偏聚形成的碳化物聚集，腐蝕后碳化物脫落，留下圓形的孔洞，表現為黑心形貌。

3.2.3 熱軋材低倍檢驗分析

為了查找黑心產生的原因，驗證是否是原始鋼錠遺傳的結果，又取了熱軋材樣品做分析。

取線材熱軋態試樣低倍酸洗，心部也存在黑心，沿心部縱向拋開后酸洗，縱向試樣心部存在一條明顯的黑線。如圖5 所示。

圖5 熱軋態黑心、黑面缺陷試樣

3.2.4 熱軋材金相檢驗

熱軋態試樣金相檢驗結果如圖6 所示，心部存在同退火態類似的腐蝕坑。心部組織和邊部組織均為珠光體+滲碳體，但心部滲碳體網較邊部滲碳體網密集。

圖6 熱軋態試樣金相組織

3.2.5 掃描電鏡能譜分析

對縱向酸浸試樣掃描電鏡觀察，縱向試樣心部存在黑色條帶為腐蝕溝，條帶處成分能譜分析，同樣存在C、Cr 元素的偏析，成分見表4，條帶內可見顆粒狀碳化物存在，如圖7 所示。

圖7 熱軋態縱向試樣電鏡下微觀形貌

表4 能譜分析結果%

綜上分析，軋材和退火材都存在元素偏析，表現出黑心形貌。

4 生產工藝調查

4.1 煉鋼模鑄過程

通過對模鑄軸承鋼盤條澆注過程調查，從流程數據看，僅2 爐過熱度偏高，分別是51 ℃和53 ℃（工藝要求45～50 ℃）。引流量、鑄余量全部符合工藝要求（引流量≥1.0 t,余量≥1.0 t）。對軸承鋼生產過程跟蹤調查，除軸承鋼冶煉用發熱劑發生變更外，其它未見異常。

4.2 軋制過程

針對軸承鋼偏析表現出的黑心問題，對軋制開坯過程開展串軋試驗（過程控溫），過程開成品坯料尺寸為230 mm×230 mm，待溫3～5 min，再開成品坯料尺寸為180 mm×180 mm；開坯終軋溫度900～950 ℃，帽口切除量≥1.9 m。跟蹤開坯爐次鋼坯按Φ4.0 mm 平底孔探傷全部合格，說明開坯過程無坯料心部過熱、鋼錠帽口切除干凈。由跟蹤結果可以看出，偏析的產生與軋制過程無關。

5 發熱劑實際成分比較

根據前期調查結果，排除軋制原因產生缺陷，針對冶煉過程調查中發現的問題，發熱劑發生了變化，因此利用化學濕法和ICP 儀器法，對更換前后發熱劑成分分析，分析結果如表5 所示。

表5 721發熱劑化學成分分析結果(質量分數)%

從表5 可以得出如下結論。

a.酸溶硅主要以硅鐵形式存在，經換算博力特硅鐵配入約9%，撫順望花硅鐵配入約66%；

b.硝酸鈉博力特配入約13%，撫順約14%；

c.通過分析碳含量，博力特配入約53%的含碳物質（有部分石灰石配入），撫順望花幾乎沒有。

通過以上分析可見，兩種發熱劑成分不同，因此其發熱效果和性能也不盡相同。

6 分析與討論

由檢驗結果發現，黑心處存在C、Cr 的偏析，即為碳化物偏析，縱向為條帶狀，橫向為點狀，通過過程調查，更換的發熱劑保溫不良造成了元素偏析，偏析處經過酸侵蝕后表現出黑心形貌。

軸承鋼中的碳化物偏析有一次碳化物偏析和二次碳化物偏析，一次碳化物偏析即通常所說的液析，從黑心處碳化物的形貌和化學成分結果分析，黑心處偏析的碳化物為二次碳化物偏析，即通常所說的帶狀碳化物。

在固溶體合金中，后凝固的晶體與先凝固的晶體成分會不同，在合金中，各個樹枝狀晶體之間最后凝固的部分，通常屬于低熔點組成物和雜質，它們與晶體本身的成分不同，這兩種情況都屬于晶體間的成分不均勻現象，即晶間偏析。在鋼中，碳、磷、硫、氮、鎳、鉻等元素都具有強烈的偏析傾向，尤其以碳、磷、硫偏析傾向最大。碳化物偏析就是一種晶間偏析，當熱加工時，這種粗大的碳化物被擊碎，并循加工方向變形而成為不連續的帶狀碳化物分布于鋼的基體中，會使鋼的橫縱向性能發生差異，特別是橫向塑性強烈降低，在鋼的后續加工和使用過程中，還可能導致其它缺陷的形成，因此應避免和減弱這種偏析[1]。

軸承鋼中的帶狀碳化物是由鋼液的成分偏析引起，在顯微組織中為帶狀分布。模鑄鋼錠凝固為錠身鋼液先凝固，冒口處的鋼液后凝固。在錠身凝固的過程中，還需要一定的補充鋼液。理想的狀態要求冒口中的鋼液保持較好的流動性，若冒口處的鋼液已經凝固冷卻，則不能起到冒口鋼液的補縮作用，易造成鋼錠本體內出現縮孔和疏松、偏析等缺陷[2]。

發熱劑主要是通過易氧化元素的燃燒，釋放熱量，補償冒口的熱散失，同時也補償鋼水熱量。在錠身凝固收縮時，發熱劑能保持冒口鋼液的流動性，減少鋼液熱散失或對冒口部位熱散失進行補償，從而減輕冒口處凝固時產生偏析、疏松等冶金缺陷。如果發熱劑性能不好，無法補充鋼水熱量，那么在鋼液凝固時就會產生偏析等缺陷[3]。通過對生產過程調查，本階段出現黑心的鋼是由于使用了721 發熱劑保溫不佳出現了偏析，后期緊急換了其它廠家的721 發熱劑后，未出現黑心、黑面現象。

7 結束語

針對模鑄軸承鋼黑心缺陷，選退火材及熱軋材分別取樣分析，確定黑心缺陷是鋼錠頭部冒口附近C、Cr 偏聚形成的碳化物被腐蝕掉的形貌，經現場調查后確認，造成此缺陷的原因是更換了發熱劑，造成冒口保溫不好形成了偏析，減少碳化物和合金元素偏析是預防黑心缺陷的關鍵措施，選用合適的發熱劑，保證冒口鋼液的補縮能有效控制此類偏析的產生。