王姗姗,梁 华,仇亚军,朱 勇

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

0 前 言

钢球是轴承工业的重要组成部分.在轴承工业中,钢球的加工方式主要有冷镦、热墩、热轧和热锻等.加工过程中钢球开裂的原因主要有原材料缺陷(显微孔隙、非金属夹杂物、发纹等)、冷镦裂纹、软磨疲劳、淬火裂纹及硬磨烧伤等.根据钢球缺陷的不同形貌,在实际过程中采取相应的分析方法,对轴承钢球开裂的原因进行分析和探讨.

某公司送检半成品钢球一粒,规格为φ60 mm,材料为GCr15SiMn高碳铬轴承钢.钢球加工工艺为:中频感应加热,始锻温度为1 050～1 120 ℃,由φ45 mm原材料锻打至φ60 mm球坯.该批钢材共有30多t,在热处理时发现有十几粒开裂.通过宏观断口分析、热酸洗、金相及能谱分析等方法对钢球开裂原因进行了分析.

1 检验与分析

1.1 宏观形貌及断口分析

送检钢球开裂为两半,观察钢球的断口发现:球心部的锻造流线贯穿钢球,为开裂的起源区;裂纹从钢球的心部沿贯穿钢球的锻造流线向两侧扩展,最后导致钢球完全开裂为两半.钢球的断裂方式为脆性断裂,从断口的扩展区和断裂区来看,断口为细瓷状,形貌见图1.

图1 钢球的宏观及断口形貌Fig.1 Morpholpgy and fracture apperance of steel ball

1.2 金相检查

将其中一半钢球从中心垂直于两极进行解剖,样品经制备后放置在MG显微镜下观察其心部的金相组织.结果发现:钢球心部局部有裂纹,多处存在灰色的块状异物,如图2所示.心部边缘及裂纹两侧有严重的脱碳现象,但多处铁素体的存在与裂纹的存在无关,如图3所示.钢球的淬回火组织按照JB/T 1255-2001标准评定为3级,网状碳化物为2级,为合格组织,如图4所示.

图2 钢球心部的块状异物Fig.2 Clumps foregin body in the core of steel ball

1.3 扫描电镜及能谱分析

为了确定该缺陷的性质,将试样采用超声波清洗烘干后放置在JSM-5610LV型扫描电子显微镜下，对钢球心部灰色异物形貌进行观察.结果发现:灰色异物大多呈条块状分布,色泽分浅灰和深灰两种,其分布状态及形貌见图5.采用falcon能谱仪对钢球心部的灰色异物进行定性成分分析.结果表明:钢球心部灰色块状异物的化学成分主要为氧、锰、硅、铬、铁及少量的硅、铝、钛等;相比较而言,A处锰、铬的含量高一些,而B处硅的含量高一些,其能谱曲线见图6(见下页).

图3 钢球裂纹两侧的脱碳组织形貌Fig.3 Decarburzation structure on either side of the steel ball crack

图4 钢球淬回火组织Fig.4 Heat treatment structure of steel ball

由此可以确定，钢球心部的灰色块状异物主要为锰和硅的氧化物,为材料夹杂物.

1.4 热酸洗检查

将开裂的另一半钢球按照JB/T 1255-2001标准进行热酸洗,确定钢球心部的锻造流线沿轧制方向分布并贯穿两极,其他未见异常.断口的热酸洗形貌见图7.

图5 钢球心部块状异物SEM形貌Fig.5 SEM morphologies of clumps foreign body in the core of steel ball

图6 钢球心部的灰色异物能谱图Fig.6 The energy spectrum curve of gray foreign body in the core of steel ball

图7 酸洗后钢球形貌Fig.7 The hot acid wash morphology of steel ball

2 结果与分析

缩孔是钢水凝固过程中,由于体积收缩,在钢锭或连铸坯心部未能得到充分填充而形成的管状或分散孔洞[1].一般集中在钢锭的上部和冒口部分,正常情况下可以清除掉.但如果切除冒口量过少或由于其他原因，则会使缩孔深及钢锭内部,而最终存在于被利用的成品材料之中,称为缩孔残余.在经热酸洗后的低倍试片中心区域呈不规则的折皱裂缝或空洞,其上或附近常伴有严重的夹渣、成分偏析和疏松.

热轧钢球和冷冲压成型钢球的工艺过程不同,造成的材料流线形貌也不一样,冷冲压成型钢球内部如有缩孔一般贯穿两极,而热轧成型钢球由于材料塑性流动较大,尤其是对于轧制变形量较大的钢球,若钢材内部存在缩孔,经过热轧后两极可以完全封闭[2].

根据断口、金相、热酸洗、扫描电镜和能谱分析，结果认为:钢球开裂始于心部,并沿材料轧制方向由内向外开裂;钢球的淬回火组织符合相关标准要求;钢球心部存在大量的夹杂物和严重的脱碳现象为钢材冶炼造成的冶金缺陷,属于缩孔残余.

3 结 论

钢球心部存在缩孔残余是引起钢球开裂的主要原因.缩孔残余严重地破坏了钢材的连续性,是钢材不允许存在的缺陷,轧制(锻造)时必然会在钢坯上产生裂纹.为了避免缩孔残余遗留在成品钢材中,建议正确设计钢锭模和保温帽尺寸,并采用性能优良的保护渣、保温剂(发热剂)和绝热板,把缩孔控制在钢锭头部,以保证在开坯时切掉.控制浇铸速度不要太快,温度不要过高也可以减小缩孔的产生.

参考文献:

[1] 钟顺思,王昌生.轴承钢[M].北京:冶金工业出版社,2000.

[2] 雷建中,梁华.热轧轴承钢球心部孔洞分析实例[J].轴承,2010(8):41-42.