高碳铬轴承钢GCr15SiMn内部裂纹原因分析及对策

高碳铬轴承钢高碳铬轴承钢高碳铬轴承钢高碳铬轴承钢 GCr15SiMn 内部内部内部内部裂裂裂裂纹纹纹纹原因分析原因分析原因分析原因分析及对策及对策及对策及对策 徐志刚， 刘杰光， 张迎涛 （山东寿光巨能特钢有限公司，山东 寿光 262711） 摘要摘要摘要摘要：为解决 GCr15SiMn 轴承钢出现的内裂缺陷问题，通过分析生产条件、环境情况，并对代表性样 品进行理化指标检验，分析裂纹的形成原因。结果表明：受空气潮湿、原材料潮湿、连铸坯高温热送热 装、轧材下线温度低等因素的综合影响，产品生产过程中内应力过大，入缓冷坑时热应力和组织应力集 中释放，导致内部裂纹的产生。对此类缺陷提出生产过程中的控制措施，最大限度的降低轴承钢中内部 裂纹的产生。 关键词关键词关键词关键词：内裂；GCr15SiMn 轴承钢；应力 The Analysis and Countermeasures of Internal Crack in GCr15SiMn Bearing Steel XU Zhi-gang，LIU Jie-guang，ZHANG Yin-gtao (Shandong Shouguang juneng special steel co,.ltd.,Shouguang 262711,China) Abstract: In order to solve the problem of internal crack defect in GCr15SiMn bearing steel,the production conditions, environment and physical and chemical indicators of products being analyzed.The comprehensive influence of the factors such as air moisture, raw material moisture, high temperature heat transfer of continuous casting slab, low temperature of rolled wire and so on, cause the internal stress is too large In the production process.The thermal stress and the stress concentration release of the microstructure in the slow cooling pit lead to the generation of internal cracks. The control measures in the production process are put forward for this kind of defect, the internal crack in the bearing steel has been reduced. Key words: internal crack；GCr15SiMn bearing steel；stress 轴承钢具有高的抗压强度与疲劳极限，高硬度，高耐磨性及一定韧性，淬透性好，冶炼时对硫和磷 控制极严，是一种高级优质钢，可为冷作模具钢。GCr15SiMn 轴承钢耐磨性和淬透性比 GCr15 轴承钢 更高，对白点形成更为敏感，常用于制造规格更大的轴承类机械零件。公司 7 月份生产的执行 GB/T 18254-2002 标准1的100 GCr15SiMn 轴承钢，在出厂前的物理检验时，发现试样中出现大量的内裂缺 陷，数量较多，几乎使几百吨钢材全面报废，同时市场上也反映出近期供货的 GCr15SiMn 轴承钢产品， 出现中心部位或近中心部位的裂纹，给企业带来严重的经济损失。笔者针对 GCr15SiMn 轴承钢产品质 量波动，展开试验进行分析，制定预防措施。 1 理化检验 1.1 成分成分成分成分检验检验检验检验 调查五炉内裂相对严重的试样的熔炼成分，通过查阅检验的原始资料，发现氢含量略高，具体成分 分析结果见表 1，N、O、H 的单位为 ppm，其余元素含量单位为%。氢溶解于钢中，破坏基体晶间结合 力，能使钢的塑性和韧性降低，特别是断面收缩率随氢含量的增加而急剧地降低，当氢含量高于一定程 度时，会产生内应力裂纹和白点2。钢中其余成分含量未见异常。 收稿日期收稿日期收稿日期收稿日期：2015-09-28 基基基基金项目金项目金项目金项目：无无无无 作者简介作者简介作者简介作者简介：徐志刚（1979-） ，男，学士学位，工程师。 表表表表 1 裂纹试样的光谱分析结果裂纹试样的光谱分析结果裂纹试样的光谱分析结果裂纹试样的光谱分析结果 Tab. 1 The result of spectral analysis with the cracked sample 试样 C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu N O H 一 0.97 0.24 0.29 0.008 0.003 1.39 0.02 0.001 0.06 75 9 2 二 0.97 0.22 0.30 0.007 0.005 1.39 0.02 0.002 0.05 80 11 3 三 0.96 0.20 0.29 0.009 0.005 1.38 0.02 0.003 0.05 81 8 5 四 0.99 0.22 0.31 0.009 0.005 1.39 0.03 0.005 0.06 60 12 4 五 1.01 0.23 0.3 0.01 0.005 1.43 0.02 0.004 0.07 50 9 5 1.2 低倍低倍低倍低倍检验检验检验检验 采用工业浓盐酸与水（1：1）对试样热腐蚀，发现裂纹在轴心附近分布，大部分裂纹穿过中心，多 呈直线分布，裂纹长度从几毫米到几十毫米不等，有的试样上存在一条裂纹，有的试样上存在两条或更 多的裂纹缺陷，在十倍放大镜下观察发现裂纹处呈轻微锯齿状。低倍其余检验项目如中心疏松、一般疏 松、偏析不大于 1 级，无其余缺陷。如图 1（a、b） 。 a b 图图图图 1 内裂试样低倍图片内裂试样低倍图片内裂试样低倍图片内裂试样低倍图片 Fig 1 Macrotemplate picture with crack specimen 1.3 断口断口断口断口 选取图 1 中 b 样品，在右上 1/4 部位的贯穿裂纹处进行人工断口，用肉眼和体视显微镜观察。形貌 属脆性断口类型，在断口上呈现与基体分界明显的、变形能力较差的断面与裂缝，裂纹处断面相对基体 断面粗糙，有少量大晶粒组织，具有光泽的结晶亮面，类似于低应力脆断，与典型的鱼眼状的白点断口 有很大的差异3。如图 2（a）所示。在图 2（a）A 位置处用扫描电子显微镜观察断口微观形貌，未发现 明显夹杂物，断口呈现沿晶、韧窝和解理的混合断口形貌，未发现区别于基体的明显边界及碎条状、羽 毛状、蛀道花样等特征，也非典型的白点断口形貌。如图 2（b）所示。 a b 图图图图 2 断口断口断口断口图片图片图片图片 Fig 2 Fracture ficture 1.4 能谱能谱能谱能谱分析分析分析分析 在图 2（a）A 位置处进行能谱分析，裂纹处形貌基本一致，选取代表性的位置（图 3，1） ，能谱分 析结果见图 4，未见异常夹杂物。 图图图图 3 能谱分析位置能谱分析位置能谱分析位置能谱分析位置 图图图图 4 能谱分析结果能谱分析结果能谱分析结果能谱分析结果 Fig 3 Position of the EDAX analysis Fig 4 Result of the EDAX analysis 1.5 高倍组织检验高倍组织检验高倍组织检验高倍组织检验 在图 1（a）中心部位取样检验，组织状态见图 5，并未发现异常组织，基体组织见图 5（a） ，为片 状渗碳体和珠光体，裂纹形貌见图 5（b） ，裂纹周边无脱碳，无夹杂物，主要为穿晶裂纹，裂纹平直略 呈锯齿状形态，端部尖锐，有继续发展的趋势，主裂纹上出现部分近似垂直的细分支裂纹，符合应力开 裂的微观形貌4。 a b 图图图图 5 金相组织金相组织金相组织金相组织 Fig 5 Microstructure 样品进行退火+深度腐蚀检测碳化物分布情况，未见明显碳化物带状、碳化物液析。 1.6 纯净度检测纯净度检测纯净度检测纯净度检测 根据 GB/T 10561-2005 标准对夹杂物进行检验，记录试样中出现的最严重视场，检验结果见表 2， 在结果中未发现异常情况。 表表表表 2 试样最严重视场夹杂物级别试样最严重视场夹杂物级别试样最严重视场夹杂物级别试样最严重视场夹杂物级别 Tab. 2 The inclusion gride of the most serious field 试样 A 粗 A 细 B 粗 B 细 C 粗 C 细 D 粗 D 细 一 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 二 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 1.0 三 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 1.5 0.5 1.0 四 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 五 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 2 分析 2.1 冶炼过程分析冶炼过程分析冶炼过程分析冶炼过程分析 生产流程： 70 吨顶底复吹冶炼 （BOF） -70 吨超高功率精炼 （LF） -70 吨双工位真空脱气 （VD） -12M 五机五流弧形连铸机（CCM） ，连铸坯型为 260*300，过程过热度为 31，平均拉速 0.490 m/min，过程 控制未见异常。但在调查中发现，时值雨季，原辅材料在潮湿环境中露天存放，石灰石有轻微的粉化现 象，在保护渣、覆盖剂中也发现较潮湿，气候条件和原辅料存放不合理，给钢水质量带来不利影响，导 致气体含量较高，特别是 H 元素含量2。 2.2 轧制轧制轧制轧制过程分析过程分析过程分析过程分析 生产流程：加热炉为煤气步进式加热炉，连铸坯热送热装(CC-DHCR，约 700入炉)，加热段 1100 ，均热段 1230，入炉时间 4.5 小时，加热过程未见异常。半连轧工艺轧制，开坯采用650 短应力 线无牌坊三辊初轧机，初轧七道次成 160 方中间坯，平立式连轧 6 道次成100 成品，初轧温度 1100 左右，终轧温度 800左右，轧制过程未见异常。入保温坑温度 500左右，保温 4872 小时，出坑温 度小于 60。因入坑时温度较低，导致在没有入坑前已产生过大的内应力和组织应力，而组织应力和热 应力极易在组织转变结束后产生裂纹5。 缺陷产品探伤时发现，冷速较快的钢材头部，缺陷严重程度高于冷速较慢钢材的中间部位，也佐证 了缓慢冷却对裂纹的抑制作用6。 2.3 裂纹分布分析裂纹分布分析裂纹分布分析裂纹分布分析 对出现问题的钢材作全长无损探伤分析，对比查找出现裂纹在钢材纵向上的分布位置，发现在 6m 定尺的钢材头部 500mm 处存在较多的裂纹缺陷，越往里越少，而中间部位出现裂纹的情况较少。同时 还发现大量出现裂纹缺陷在小区域内是断续分布的，不是整体全部都有裂纹。相关资料表明：规格小于 某一临界尺寸时，在一定温度条件下缓冷，内应力容易释放，不易产生裂纹；规格大于另一临界尺寸时， 由于冷速较慢，温度较高，材料存在自回火现象，也不易产生裂纹；而规格处于两临界值之间时，温度 较快，应力扩散缓慢，自回火效应又极其微弱，导致裂纹容易在这一区间内产生5。 一种新的观点认为，尽管采用炉外精炼、真空处理等技术，钢液纯度不断提高，但是与模注时代相 比，连铸过程加工应力和组织应力明显增加，与热应力共同作用，在保温、缓冷措施不完善的条件下， 消除钢中应力措施不到位，会造成铸坯中形成应力裂纹，在钢中短流程区域形成微小断口，即类似“白 点”的裂纹5。无论此缺陷是否是“白点” ，统一的观点认为，钢中氢含量高时，氢会向小裂纹处扩散， 当氢在位错区移动时，促进这此小裂纹的发展。7 3 结论 3.1 雨季空气中水汽大，原辅料受潮，钢液气体含量较多导致浇注后钢坯本身产生内应力，存在开裂趋 势，CC-DHCR 热送热装制度，导致连铸坯的内应力无法缓慢释放，为裂纹的产生埋下隐患。 3.2 轧制后下线不及时，入缓冷坑温度低，组织应力和热应力集中释放，入坑缓冷未能有效弥补坯料本 身存在的问题，影响因素叠加，导致裂纹的产生。 3.3 做好原辅材料的防潮措施，做好保护浇注，轧后及时高温缓冷，以降低100 GCr15SiMn 轴承钢的 应力裂纹的发生。 参考文献参考文献参考文献参考文献： 1 GB/T 18254-2002 高碳铬轴承钢S. 2 钟顺思，王昌生. 轴承钢M. 冶金工业出版社，2000. 3 韩宗才,刘惠民. 28 mm 35CrMoA 钢棒脆断原因分析J. 理化检验物理分册, 2014, 50(2): 155158. 4 杨永强,李红卫,张小荣. 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