軸承鋼顯微孔隙缺陷產生原因及預防措施的探討

2009-02-13

　　1.前言
　　軸承是機械行業的重要基礎性部件，其工作特點是承受強沖擊和交變載荷，其損壞的主要原因是微小裂紋的擴展。因此，內部組織的均勻與致密是十分重要的。
　　軸承鋼內部組織缺陷是形成微裂紋的主要原因，除常見的液析、帶狀等缺陷外，顯微孔隙也是一種缺陷，它會破壞軸承鋼基體的連續性與致密性。根據YB9-68技術條件，顯微孔隙為供需雙方協議項目，但隨著顧客對鋼材質量要求的加嚴，從91年起，特鋼開始出現軸承鋼顯微孔隙質量疑議，顯微孔隙主要出現在∮70-120規格。即650分廠產材部分。 ( 特鋼公司可產軸承鋼∮25-180，其中∮25-65為300分廠產材，∮70-120為650分廠產材，∮125-180為鍛鋼產材。650分廠設備概況是：有三座三段連續式加熱爐，650＊3橫列式軋機一套，以及相應的剪切、包裝設備。)　
　　因此，從92年起，對顯微孔隙進行考核。92年合格率為92.9%，650分廠一次合格率為86.85%，因顯微孔隙造成的改制品為671噸；為此特鋼公司于93年成立了攻關組，通過開展一系列的工作，對軸承鋼顯微孔隙的產生原因有了一定認識，通過采取相應措施，96年合格率達到99.09%，650分廠一次合格率達到96.69%，因顯微孔隙造成的改制品量降為68噸，顯微孔隙缺陷基本得到控制。
　　2.顯微孔隙的形貌與特征
　　顯微孔隙從金相檢驗圖片上看，是沿晶界斷續形成不規則形狀的裂紋或孔隙，顯微孔隙缺陷區大都出現于鋼材的中心部位，沿軋制方向呈現條帶狀分布，經分析[1]缺陷區有碳化物偏析，局部區域出現大塊碳化物堆積現象，氧化物夾雜的分布與顯微孔隙形貌相吻合。
　　3.鋼材產生顯微孔隙的統計規律
　　3.1不同規格鋼材顯微孔隙分布規律

表1

　　從表1中看出，顯微孔隙主要出現在650分廠，占總量的80% 。
　　3.2 纖維孔隙與液析之間關系的統計數據

表2

　　從表2 中可看出，液析與顯微孔隙基本不同時出現。
　　3.3 不同加工工藝對比
　　3.3.1軋制與鍛制工藝對比

表3

　　3.3.2不同預備方對比

表4

　　4.顯微孔隙產生的原因分析
　　4.1 顯微孔隙形成原理分析
　　軸承鋼含碳量在1.0左右，是過共析鋼。澆鑄時一次碳化物(Fe3C)產生支晶偏析。在軋鋼車間進行加熱過程中，碳化物如不能溶解擴散，在鋼材上即產生液析，但如果加熱溫度過高，擴散時間過長，碳化物即熔化或消失留下孔洞甚至產生內燒[2]，孔洞如果在以后的軋制過程中不能焊合，即形成顯微孔隙。
　　顯微孔隙和液析是對立的，基本不同時出現，從表2數據看,在總量262爐不合中,只有1爐兩者同時出現,也說明此問題。
　　4.2 加工車間與顯微孔隙形成相關工藝參數分析
　　在加工車間，加熱溫度、出鋼速度和軋制工藝道次變形量與顯微孔隙形成有關。
　　①加熱溫度對顯微孔隙的影響
　　加熱溫度的高低，直接影響碳化物能否順利擴散或是否產生過燒，因此，合理的加熱溫度是必要的，從統計數據看，產生顯微孔隙的爐號，加熱溫度偏高，儀表顯示溫度為1270-1295℃,這樣鋼錠的實際溫度為1220-1240℃。根據資料[3]和技術規程[4]，軸承鋼合理的加熱溫度為1180-1220℃，當溫度偏高時，容易產生碳化物熔化或內燒[2]，因此，實際生產溫度應按中下制控制，即控制在1180-1200℃范圍內。對應的儀表顯示溫度為1230-1250℃(溫度過低不利于碳化物擴散和液析的消除)。
　　②出鋼速度與顯微孔隙的關系
　　控制出鋼速度實際上是控制鋼錠加熱時間和鋼錠內外透燒、組織一至性。軸承鋼鋼錠擴散時間為2.5小時，對應的出鋼速度為45支/小時[4]。出鋼速度因為與諸多因素相關，不適宜做大的調整。
　　③軋制工藝對顯微孔隙的影響
　　從統計數據表1看，∮70-120規格鋼材顯微孔隙出現幾率Z高占80.45%，而∮100-120即大于50%，同規格∮120軸承鋼軋制與鍛制對比實驗看表3，鍛造狀態不易出現顯微孔隙，軋制狀態容易出現顯微孔隙。這是因為∮100-120組距為軋制規格極限，大于∮120為鍛材。因軋制狀態下的應力狀態是兩拉一壓[5]，形變不易滲透到中心部位，焊合作用相對較小，因而易形成顯微孔隙；而在段造狀態下，因應力狀態是三向壓應力[5]，變形易滲透到中心部位，焊合作用相對較大，因而不易形成顯微孔隙。
　　因此，改進∮100-120規格心部變形的應力狀態，加大變形量，均可變形滲透到中心，加大焊合作用從而減少或消除顯微孔隙。
　　考慮鍛造作業率較低，因此如通過改進軋制道次變形量分配的方法，適度加大某道次壓下率，也可以使變形滲透到中心部位，增強焊合作用，為此也進行了工藝實驗，即將650軋機一架入二架預備方由120改為140，加大此道次變形量，試驗結果見表4、表5：

表5

　　從實驗看，一次合格率明顯提高，說明采用加大預備方的方法是可行的。

　　5.顯微孔隙的預防與消除措施

　　結合顯微空隙形成原因分析，在加工車間采取如下措施可以預防和消除顯微孔隙：
　　①控制加熱溫度：軸承鋼鋼錠的加熱溫度按工藝規程中下限控制即1180-1200℃爐內氣氛的溫度為1230-1250℃。
　　②控制出鋼速度：出鋼速度控制在45支/小時,控制擴散時間在2.5小時左右。
　　③改進軋制工藝：改一架入二架預備方由120為140。
　　6.消除顯微孔隙措施實施的效果
　　經采取以上措施，650分廠軸承鋼顯微孔隙出現率基本得到控制,統計結果如下：

　　7.結論
　　①加熱溫度過高，是產生顯微孔隙的重要原因，合理的加熱溫度為1180-1200℃。
　　②控制出鋼速度可以有效控制鋼錠加熱時間和鋼錠內外透燒、組織一至性，防止顯微孔隙的出現。
　　③改進加工過程心部應力狀態，加大變形量，均可使變形滲透到中心，加大焊合作用從而減少或消除顯微孔隙。（作者：孟慶武，朱錦，本溪鋼鐵集團公司）