大型高碳铬轴承钢环件探伤不合格成因与控制

文/抚顺特殊钢股份有限公司,李涛

随着大型机械设备的不断发展，大型轴承的需求量出现不断增长。轴承材料的稳定性与设备的使用寿命息息相关。找出加工过程中材料不合格的根本原因，对稳定供给大型机械设备使用的轴承材料有至关重要的作用。本文以GCr15SiMn 环件为研究对象，分析了辗环后内部缺陷的产生机制，并通过研究加热温度控制与环件内部质量变化机制，为制定和完善高碳铬轴承钢辗环件工艺奠定基础。

1研究方案  

在本研究中中间坯超声波探伤合格，而在辗制出成品GCr15SiMn 环件(外径1360mm、内径1157mm、高度475mm)后，超声波探伤出现点状缺陷。对环件缺陷位置进行取片低倍分析，结合高倍显微组织、电镜及能谱分析，找出缺陷形成的成因，再通过加热制度的改变，避免类似缺陷的发生，同时也间接提高了高碳铬轴承钢环件其它性能指标。

1.1 高碳铬轴承钢环件生产流程

生产工艺流程为：13t 钢锭—高温扩散10h—锻制中间坯准550mm—坑冷—探伤—冲孔—辗环—探伤(检验)。

1.2 取样

生产的高碳铬轴承钢环件，通过超声波准2 标准探伤检验个别区域存在点状缺陷。通过超声波定位，对缺陷区域进行取片，低倍分析，结果如图1 所示，低倍片定性为裂纹。对该裂纹处进行取片，并进行高倍分析。

2裂纹形成原因  

对低倍试样缺陷处进行高倍组织分析如图2，从图中可以看出，在部分缺陷边缘处边缘有白色物质，在基体内也存在该种白色物质，且白色物质附近，网状碳化物比较严重。在基体内部无缺陷处也出现了类似区域，如图3所示。

为了确定缺陷处白色区域的化学成分， 对该区域及周边进行扫描电镜分析，分析结果见图4。

缺陷处的扫描电镜照片如图4(a)所示。位置3处为材料的基体成分，如图4(d)所示。位置1 点处金相照片中白色区域，含有铬、碳比例较高，因此该区域属碳、铬偏析区，其成分为(C，Fe)C 的化合物。位置2 为(Cr，Fe)C 区域的边缘，从扫描电镜的结果来看，除碳、铬含量较高为外，也含有一定比例的氧元素，说明(Cr，Fe)C 化合物边缘已被氧化，从图4(a)中及图2 中可以看出部分(Cr，Fe)C 化合物边缘已与基体脱离， 因此可判断辗环过程中钢材内部裂纹源产生在(Cr，Fe)C 化合物的边缘。

3缺陷成因分析与防止 

高碳铬轴承钢属过共析钢，浇铸时一次碳化物(Fe，Cr)3C 及少量的(Fe，Cr)7C3产生枝晶偏析，在高碳铬轴承钢中形成碳化物液析。13t 钢锭在加热过程中采用(1200±10)℃保温10 h，使偏离平衡状态下的枝晶偏析在扩散退火过程中进行偏析元素再分配，以降低偏析程度。中间坯经1180℃加热后进行辗环，辗环过程中，钢材内部由于组织应力及变形抗力等因素将会导致钢材的内部温度升高， 当温度超过1260℃时会发生热脆性，导致在碳化物周边形成微小的裂纹源。由于辗环过程中，是轴向变形与径向变形相结合，将会导致裂纹四周变大，形成微观孔洞。如图2 所示，由于径向变形程度远大于轴向变形程度，因而宏观表现为裂纹形貌，如图1 所示。

基于以上分析， 将中间坯高温扩散退火时间增加5h，有利于充分降低偏析程度；加热温度调整至(1060±10)℃，以降低由于加工过程中钢材内部温度升高导致出现缺陷的可能。结果表明，在后期生产过程中均未发生探伤点状缺陷。

对该料按GB/T18254-2002 进行碳化物检测(非缺陷处)，调整温度前后的结果见表1。结果表明，调整辗环前加热温度不仅使内部缺陷减少， 而且有利于控制碳化物带状的析出。

4结束语  

(1) 高碳铬轴承钢棒材探伤合格，辗环后探伤不合原因为扩散退火不充分及辗环前加热温度偏高所致。

(2) 高碳铬轴承钢环件内部裂纹起源于(Cr，Fe)C 化合物偏析区即碳化物液析的边缘。

(3) 通过控制辗环前扩散退火时间及控制加热温度，不仅可以避免类似缺陷产生，并且可降低网状碳化物的级别。