分享：轴承套圈裂纹缺陷分析

本钢板材股份有限公司制造部，辽宁　本溪　117000

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摘要: 轴承钢具有高而均匀的硬度、耐磨性以及高的弹性极限，被视为是钢铁生产中要求最严格的钢种之一。本文针对轴承钢GCr15在加工轴承套圈时表面出现条带状和点状裂纹的现象，采用光学显微镜以及扫描电子显微镜对裂纹进行观察，并进行能谱分析，对产生裂纹的原因进行分析。结果表明条带裂纹是氧化铁皮脱落残留的凹坑；点状裂纹是水口结瘤脱落的外生非金属夹杂物而导致的裂纹萌生。在生产中应对轴承钢炼钢工艺钢包水口下渣进行严格控制，减少中间包耐材侵蚀及水口结瘤，从而防止此类缺陷产生。

轴承套圈是具有一个或几个滚道的向心滚动轴承的环形零件，是由轴承钢经过锻造、退火、车削、热处理等工序加工而成的。要求轴承钢具有高而均匀的硬度、耐磨性以及高的弹性极限，因而对钢材化学成分均匀性、钢质纯净度、非金属夹杂物的含量级别和分布状态、碳化物的分布及其状态等要求都十分严格，因此轴承钢被视为是钢铁生产中要求最严格的钢种之一。本钢供给某轴承厂生产轴承套圈用的轴承钢GCr15加工后个别轴承套圈表面出现条状或点状的细小裂痕，为了找出轴承套圈裂纹产生的原因，本文进行了物理检验分析与探讨。

1.   实验研究

1.1   工艺条件

本钢GCr15轴承钢生产工艺为：电炉→LF精炼→VD处理→235 mm×265 mm连铸坯→加热→轧制→退火。

轴承套圈加工工艺为：GCr15原材料→锻造→车削→热处理→磨削→磁粉检测。

GCr15轴承钢经轧制后主要获得组织为细片状珠光体和碳化物(Fe，Cr)3C。根据加工使用要求，一般需要经过球化退火处理或淬火+低温回火热处理，经过热处理后组织转变为细小的隐晶马氏体和渗碳体颗粒，GCr15内控化学成分见表1所示。

表  1  GCr15轴承钢内控化学成分（质量分数，%）

C	Si	Mn	Cr	Mo	P	S	O
0.96~1.03	0.16~0.27	0.26~0.35	1.41~1.50	≤0.10	≤0.020	≤0.018	≤0.0012

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对点状和条带状裂痕两种生产缺陷试样进行切割取样，用扫描电镜分别对裂纹缺陷的平面和剖面进行观察，并对裂纹内部进行能谱成分分析。

1.2   裂纹平面分析

在SEM下对试样的缺陷表面进行观察，条带状裂纹的宏观形貌如图1(a)，裂纹贯穿整个视场，长度为2.14 mm，局部放大如图1(b)，主要为断续分布的小孔洞组成，并呈条带状密集分布，底部圆滑，无裂纹延伸倾向。对缺陷部位进行能谱分析，化学成分主要为C、O、Cr、Fe，成分未见异常。在SEM观察点状缺陷为凹坑状缺陷如图1(c)，缺陷边缘与底部光滑，无裂纹延伸倾向。化学成分与条带状裂纹缺陷一样主要为C、O、Cr、Fe，成分未见异常。

图  1  裂纹平面形貌：(a)条带状裂纹平面形貌；(b)条带状裂纹平面局部放大形貌；(c)点状裂纹平面放大形貌

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1.3   裂纹剖面分析

对两种缺陷试样部位进行切割，然后对缺陷纵剖面进行金相试样的制备，在光学显微镜下观察。

条形缺陷部位未检查到明显异常现象，只是缺陷部位略有下凹，判断为坯料加热时间较长，在轧制之前表面附着大量氧化铁皮，轧制时由于物理震荡脱落而形成凹坑；GCr15加工成轴承套圈后，由于车削深度不足，没有达到原始凹坑深度，因此，留下不规则的条带状缺陷。此种缺陷不会向基体延伸，如材料对外观无特殊要求，不会影响零件的正常使用。

而在点状缺陷部位附近发现有颗粒状的非金属夹杂物呈条带状分布，如图2(a)所示，条带的一端露出试样表面，故使轴承套圈表面萌生出点状缺陷。经测量非金属夹杂物长度约为580 μm，宽度约为12 μm，在SEM下对非金属夹杂物形貌进行观察，见图2(b)所示，是由小颗粒状夹杂物团聚集形成。对缺陷部位进行能谱分析，结果见表2，化学成分主要为Fe、O、Mg、Al、Ca、S。大尺寸条状夹杂物主要由颗粒状的MgO·Al2O3、CaO-2Al2O3、CaS聚积而成，出现如此大尺寸的堆积型夹杂物，并且呈随机分布状，分析最可能的原因是水口结瘤物脱落导致。参照水口结瘤物成分，结瘤物主要有Al2O3、CaO和MgO组成，两者含量基本相当。

图  2  裂纹剖面形貌：(a)点状剖面形貌；(b)非金属夹杂物形貌

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表  2  非金属夹杂物能谱分析（质量分数，%）

位置	O	Mg	Al	S	Ca	Cr	Fe
Spectrum 1	49.89	14.36	30.75	1.93	2.09	—	0.98
Spectrum 2	38.49	11.73	24.03	—	—	—	25.75
Spectrum 3	—	—	—	27.31	49.07	0.88	22.74
Spectrum 4	22.30	0.62	15.87	—	3.84	4.18	53.19

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2.   分析与讨论

采用铝脱氧的轴承钢浇注过程中经常会发生侵入式水口结瘤现象，低氧含量的轴承钢液中存在MgO·Al2O3、CaO·2Al2O3、CaO·6Al2O3等微小夹杂物粒子，由于熔点高、与钢液间表面张力大，这些微小的夹杂物粒子在连铸过程中易在水口内壁沉积而导致水口结瘤。尺寸较小的夹杂物在凹形水口底部逐渐聚集在一起、慢慢长大，很容易上浮至结晶器内或黏附在浸入式水口底部。轴承钢棒材中存在Al2O3、MgO·Al2O3、钙铝酸盐等氧化物类不变形夹杂物易导致裂纹萌生[1-6]。

对于轴承钢这种超低氧的钢水，通过VD真空处理，钢水中的Al2O3、MgO·Al2O3高熔点固相夹杂物大多能被去除。但是浇铸过程重新创造了热力学条件，会再次产生高熔点固相夹杂物；另一方面耐材中的MgO受到钢水侵蚀，也会产生高熔点的固相夹杂物MgO·Al2O3。为减少轴承钢水口结瘤，应控制钢包水口下渣，减少中间包耐材侵蚀。

3.   结束语

对两种轴承套圈缺陷进行分析表明：轴承套圈表面的条带状缺陷是轴承钢表面氧化铁皮脱落残留的凹坑，不会向基体延伸；轴承套圈表面点状缺陷是外生非金属夹杂物萌发的裂纹缺陷，由于脱落的水口结瘤物未能及时上浮残留于连铸坯中造成的；轴承钢生产过程中，为减少水口结瘤应控制钢包水口下渣，减少中间包耐材侵蚀。