軸承鋼穿孔缺陷的控制實(shí)踐

供稿|李卯華, 劉艷華, 趙德忠/LI Mao-hua, LIU Yan-hua, ZHAO De-zhong

軸承鋼穿孔缺陷的產(chǎn)生是由于鋼坯在加熱過程中，鋼錠(連鑄坯)入爐溫度過低，在升溫過程中，受到軸承鋼鋼坯本身的高含量碳化物、非金屬夾雜、氣泡、偏析等因素的影響，造成的熱應(yīng)力、和冷卻應(yīng)力和鋼錠內(nèi)部的殘余應(yīng)力相疊加，造成應(yīng)力集中[1]，在晶間結(jié)合力最薄弱的地方產(chǎn)生穿孔缺陷(由于這種缺陷產(chǎn)生時伴有響聲，也稱內(nèi)響裂[1])，形成宏觀孔洞的質(zhì)量缺陷。從而使鋼的力學(xué)性能和使用性能顯著下降，成為過程廢品，直接造成經(jīng)濟(jì)損失。在連軋機(jī)組中可能因出現(xiàn)穿孔而損傷或損壞機(jī)械設(shè)備。

軸承鋼工藝路徑及軸承鋼化學(xué)成分

工藝路徑

3.16(5)t電爐錠*(連鑄坯)→均熱爐(加熱爐)→800初軋機(jī)→24架連軋機(jī)→保溫→退火→檢驗(yàn)→成品精整→上交

化學(xué)成分

表1 GCr15軸承鋼的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

軸承鋼穿孔的產(chǎn)生原因分析

軸承鋼的含C量較高，一般在0.95%～1.05%，并且還含有一些合金元素，如Cr、Mn等。軸承鋼屬于高碳過共析鋼，在常溫下的組織組成物為珠光體和二次滲碳體，珠光體由鐵素體和滲碳體組成，所以相組成物是鐵素體和滲碳體[2]。鐵素體是體心立方晶格，滲碳體的塑性和韌性非常差、硬度高，所以軸承鋼的特性是在低溫階段導(dǎo)熱性差、幾乎沒有塑性、硬而脆。在鑄錠(連鑄坯)冷卻過程中，其含C量，冷卻速度和斷面越大，冷卻應(yīng)力越大，缺陷產(chǎn)生的幾率就越大，在熱加工的加熱過程中，在坯料的應(yīng)力集中處(非金屬夾雜、氣體、偏析、微裂紋)產(chǎn)生穿孔缺陷，因此軋制過程中出現(xiàn)穿孔的主要原因是鋼錠內(nèi)部存在組織應(yīng)力，如何減少鋼錠內(nèi)部應(yīng)力是關(guān)鍵[3]。如圖1所示，在軋制過程中出現(xiàn)的穿孔缺陷的高溫和室溫時的外觀形貌。

圖1 軋制過程中出現(xiàn)的穿孔缺陷的高溫和室溫時的外觀形貌

軸承鋼穿孔的產(chǎn)生位置分析

模鑄鋼錠

特鋼廠在實(shí)際生產(chǎn)過程中主要以3.16 t錠型為主，實(shí)際穿孔缺陷90%出現(xiàn)在錠身2/3的地方，即鋼錠帽口處下200～300 mm處。原因之一是因?yàn)樵撐恢孟鄬π☆^端的截面要大很多，冷卻應(yīng)力和殘余應(yīng)力較大；其二，該部分是利用下鑄法澆注的鋼錠上部在澆注和鎮(zhèn)靜的過程中，其夾雜物和低熔點(diǎn)物質(zhì)等上浮的聚集區(qū)域，因而成為應(yīng)力集中區(qū)域。從均熱爐加熱出鋼過程中，宏觀來看在鋼錠帽口沿下方200～300 mm處發(fā)生穿孔斷裂，見圖2。

圖2 模鑄錠加熱后穿孔形貌

連鑄鋼坯

連鑄坯的實(shí)際穿孔缺陷的位置無一定的規(guī)律，但發(fā)生穿孔的位置往往多聚集夾雜(渣)等非金屬物質(zhì)。

鋼坯穿孔處的顯微組織

從顯微組織可看出，組織為正常退火后的球狀珠光體。奧氏體晶粒未見明顯粗大，無魏氏組織，原始奧氏體晶界有滲碳體析出，并形成封閉碳化物網(wǎng)狀，從缺陷位置的組織看，基體組織中存在有沿著滲碳體開裂的顯微裂縫，裂紋周圍可見明顯的脫碳層，如圖3、圖4所示。

圖3 斷口邊緣處顯微組織(×400)

圖4 基體顯微組織(×400)

坯料入爐狀態(tài)對穿孔缺陷的影響

表2 軸承鋼生產(chǎn)出現(xiàn)穿孔情況統(tǒng)計(jì)

從表2可看出，坯料入爐溫度對穿孔缺陷的影響較大，2009年9月份以來，加熱車間生產(chǎn)滾珠鋼模鑄錠62爐740支鋼錠(坯)， 室溫入爐部分爐次鋼錠出現(xiàn)穿孔缺陷計(jì)36支。執(zhí)行≥400 ℃入爐鋼錠(坯)，從未出現(xiàn)過穿孔缺陷。

防止產(chǎn)生穿孔的方法和措施

特鋼廠生產(chǎn)的3.16 t模鑄錠錠型和連鑄坯(350 mm×470 mm)屬于大截面鋼錠。鑒于軸承鋼模鑄錠的截面越大，冷錠冷卻應(yīng)力越大，冷錠入爐生產(chǎn)時產(chǎn)生穿孔缺陷的幾率就越大。軸承鋼在生產(chǎn)過程中原則上不允許變冷，杜絕冷錠入爐是預(yù)防穿孔缺陷的關(guān)鍵措施。

如果預(yù)知滾珠軸承鋼執(zhí)行不了熱送溫裝工藝的，必須在鑄鋼進(jìn)保溫坑內(nèi)緩冷，不可空冷；

均熱爐坑代替保溫車功能進(jìn)行緩冷，對于不可避免變冷的軸承鋼錠，必須進(jìn)緩冷坑并且要求點(diǎn)燃一個燒嘴，保證坑內(nèi)有一定溫度，使鋼錠(坯)在冷卻過程中有一緩沖時間，禁止空冷，防止冷卻速度過快，減緩冷卻應(yīng)力；

對均熱爐坑爐溫和表溫有差異的進(jìn)行重新標(biāo)定，穩(wěn)定執(zhí)行加熱工藝、溫度和升溫速度；

冷錠備坑溫度≤400 ℃，800 ℃前升溫速度減慢，為≤80 ℃/h；

嚴(yán)肅均熱爐中滾珠軸承鋼翻身工藝、保證溫度均勻，待軋降溫制度等；

加熱爐中室溫入爐坯料控制預(yù)熱段和加熱二段的爐溫，裝出鋼速度均勻。

取得的成效

對軸承鋼變冷錠的生產(chǎn)工藝執(zhí)行，在生產(chǎn)加熱初期的升溫速度嚴(yán)格按照工藝執(zhí)行為≤100 ℃/h(車間采取措施為≤80 ℃/h)，要求操作工做到三勤，即“勤觀察、勤調(diào)整、勤推砂封”，加強(qiáng)工藝執(zhí)行和監(jiān)督力度，自從車間采取以上相應(yīng)措施以來，總共生產(chǎn)了70爐次270支滾珠鋼，全部為冷錠裝爐，未產(chǎn)生穿孔缺陷。

結(jié)束語

穿孔是一種應(yīng)力類型缺陷，杜絕冷錠(坯)入爐是預(yù)防穿孔缺陷的關(guān)鍵措施；

坯料鑄造過程中，保證鋼錠(坯)的非金屬夾雜、氣體、偏析、微裂紋在合格范圍內(nèi)，避免應(yīng)力集中；

冷裝坯料熱送，保溫環(huán)節(jié)，保證緩慢冷卻，避免冷卻應(yīng)力和殘存應(yīng)力過大；

均(加)熱初期，減慢加熱速度，避免加熱應(yīng)力。

[1] 劉文，王興珍. 軋鋼生產(chǎn)基礎(chǔ)知識問答. 第2版. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1994: 113, 194

[2] 崔忠圻, 劉北興. 金屬學(xué)與熱處理原理. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)出版社, 1998: 106-122

[3] 曹季林, 毛志剛, 趙向政. 大型鋼錠軋板開裂和穿孔缺陷分析及澆鑄工藝優(yōu)化. 特殊鋼, 2013, 34(4):36