GCr15軸承鋼質(zhì)量缺陷及改進(jìn)措施分析

趙劍琪

（河鋼集團(tuán)宣鋼公司技術(shù)中心，河北 張家口 075100）

GCr15軸承鋼質(zhì)量缺陷及改進(jìn)措施分析

趙劍琪

（河鋼集團(tuán)宣鋼公司技術(shù)中心，河北 張家口 075100）

當(dāng)前車輛以及機(jī)械設(shè)備、車輛上都需要軸承這種機(jī)械零件，軸承鋼是滾動(dòng)軸承生產(chǎn)材料的專用鋼種。軸承鋼因?yàn)樾枰惺茌S承工作中滾動(dòng)體之間的高頻、變應(yīng)力作用，機(jī)械構(gòu)件的工作環(huán)境比較復(fù)雜，承擔(dān)的荷載非常集中。文章對(duì)GCr15軸承鋼的質(zhì)量缺陷及改進(jìn)措施進(jìn)行了分析。

GCr15軸承鋼；金相檢驗(yàn)方法；鋼材質(zhì)量；裂紋；質(zhì)量缺陷；改進(jìn)措施

目前的軸承鋼中產(chǎn)量最大的鋼種當(dāng)屬GCr15這種高碳鉻軸承鋼，軸承鋼在應(yīng)用中多運(yùn)用在強(qiáng)沖擊荷載以及交變荷載這種環(huán)境下，可見(jiàn)軸承鋼需要具備的鋼種功能。這種環(huán)境要求軸承鋼的硬度以及高接觸疲勞強(qiáng)度都能夠表現(xiàn)良好的性質(zhì)，并且對(duì)于軸承鋼的韌性和淬透性具有品質(zhì)要求。當(dāng)前對(duì)于軸承鋼生產(chǎn)采用的工藝比較傳統(tǒng)，一般是利用連鑄技術(shù)，對(duì)比模鑄技術(shù)，連鑄產(chǎn)品的表面質(zhì)量更優(yōu)秀，并且連鑄的產(chǎn)品成材率與成本相比更優(yōu)異。高碳鉻軸承鋼在其中心碳偏析的要求非常嚴(yán)格，所以模鑄仍然很重要。軸承鋼GCr15圓鋼（直徑28～70mm），此鋼種在進(jìn)行頂鍛、低倍檢驗(yàn)的時(shí)候，鋼材截面或表面常常會(huì)檢測(cè)出裂紋，這對(duì)鋼材的應(yīng)用具有嚴(yán)重的影響。利用金相顯微鏡、掃描電鏡、能譜儀等先進(jìn)設(shè)備對(duì)軸承鋼GCr15圓鋼進(jìn)行金相顯微組織分析，能夠采集GCr15軸承鋼金相組織圖片，進(jìn)一步展開(kāi)膨脹、腐蝕情況、重構(gòu)、灰度化處理，使裂紋圖片更加清晰，測(cè)量更加準(zhǔn)確，并且能夠提取鋼材中的碳化物顆粒，通過(guò)種種數(shù)據(jù)計(jì)算鋼材中碳化物所占的比例，分析碳化物的不均勻情況，同時(shí)又能對(duì)裂紋的尺寸、內(nèi)部形貌、內(nèi)部夾雜進(jìn)一步研究，進(jìn)而評(píng)定出軸承鋼GCr15圓鋼的頂鍛、低倍出現(xiàn)裂紋的原因，綜合質(zhì)量檢驗(yàn)分析得出軸承鋼GCr15圓鋼的綜合力學(xué)性能。

軸承鋼GCr15圓鋼在進(jìn)行頂鍛和低倍檢驗(yàn)的時(shí)候，出現(xiàn)裂紋的研究與軸承鋼GCr15化學(xué)成分關(guān)系密切。

切割軸承鋼裂紋試樣，對(duì)裂紋試樣進(jìn)行熱鑲嵌，再使用磨拋機(jī)進(jìn)行磨制加工，隨后拋光處理，然后使用掃描電鏡觀察存在裂紋缺陷的平面、橫截面，通過(guò)儀器設(shè)備分析裂紋內(nèi)部的能譜成分，使用能譜能夠分析出裂紋處以及周邊區(qū)域相關(guān)數(shù)據(jù)，最后使用4%的硝酸酒精進(jìn)行腐蝕處理，處理后使用金相顯微鏡對(duì)裂紋及周邊再次進(jìn)行關(guān)于組織變化的觀察。

1 軸承鋼GCr15圓鋼處理觀察過(guò)程

裂紋呈現(xiàn)出彎曲的狀態(tài)，測(cè)量得出其寬度大約為15μm，放大了裂紋圖像后，可以觀察到主要裂紋旁邊存在很多細(xì)微的樹(shù)枝狀分支裂紋，并且這些裂紋具有孔洞的特性。當(dāng)前我國(guó)的生產(chǎn)、檢測(cè)設(shè)備較國(guó)外水平都有一定的落后，當(dāng)前我國(guó)對(duì)于軸承材料的判別標(biāo)準(zhǔn)主要是觀察軸承套圈的尺寸精度等。對(duì)GCr15軸承鋼的觀察中得知，GCr15軸承鋼在經(jīng)過(guò)0.1～1毫米/分的拉伸作用下，處于630℃～730℃之間溫度環(huán)境下能夠具備最優(yōu)塑性，并且材料延伸率的最小值都能夠超過(guò)250%，對(duì)于GCr15軸承鋼超塑成型的應(yīng)用提供了良好的環(huán)境。GCr15軸承鋼延伸率最高值通常情況下會(huì)在680℃時(shí)達(dá)到，并且δ-V曲線圖類似于吊鐘形，不同溫度的最適拉伸速度均存在峰值，超過(guò)峰值便會(huì)受拉伸速度的增減變化，并且材料的延伸率會(huì)慢慢降低。

2 金相圖片在讀取以及灰度化、濾波過(guò)程

金相圖片的試樣尺寸選擇1280*1024（像素），選擇的圖片不宜過(guò)大，過(guò)大的圖片在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)非常緩慢，所以需要提前將圖片進(jìn)行剪切處理，然后再進(jìn)行灰度化處理。將維納濾波、非線性濾波以及對(duì)均值濾波進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)三種濾波中，維納濾波能夠得出在試樣圖片條件上最好的濾波效果，故選定使用維納濾波。研究對(duì)象在邊緣處與背景的灰度值存在顯著的差異，需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充，這就需要提高研究分析精度，一般是將整個(gè)灰度圖像進(jìn)行塊處理，然后就所有分區(qū)進(jìn)行局部的灰度調(diào)整，這就造成了對(duì)應(yīng)圖片灰度分析直方圖表現(xiàn)得比較均勻，調(diào)整整幅圖像的亮度可以進(jìn)一步強(qiáng)化圖片邊緣的效果。

3 灰度圖像腐蝕及重構(gòu)

因由圖像的操作是在二值化圖像基礎(chǔ)上展開(kāi)的，所以圖像處理的效果非常不合理，這就會(huì)導(dǎo)致圖像的邊緣表達(dá)信息存在遺漏，在軸承鋼GCr15圓鋼的灰度圖片分析中，利用Marlab內(nèi)的Imerode以及Imreconstruct兩種函數(shù)展開(kāi)處理，能實(shí)現(xiàn)灰度圖片的腐蝕和重構(gòu)相關(guān)操作，這樣重復(fù)進(jìn)行腐蝕處理所展現(xiàn)的軸承鋼GCr15圓鋼灰度圖像。觀察母材的金相圖可以明顯地看出材料表面的缺陷和問(wèn)題，存在大量的氧化物，在腐蝕處理之后，裂紋處并不會(huì)顯現(xiàn)出氧化原點(diǎn)，且未發(fā)生脫碳現(xiàn)象，可見(jiàn)連鑄這種加工工藝并不會(huì)造成鑄坯產(chǎn)生裂縫。

4 裂縫形成原因

在研究中發(fā)現(xiàn)，酸洗處理的鋼料母材上有著斷斷續(xù)續(xù)的裂紋，其頂鍛出現(xiàn)開(kāi)裂的原因也正是因?yàn)槟覆谋砻嫔系暮翢o(wú)規(guī)律的裂紋，這些裂紋的產(chǎn)生原因并非是生產(chǎn)軋制過(guò)程中受到剮蹭或折疊加工所產(chǎn)生的。

在金屬相關(guān)研究領(lǐng)域，一般是將晶界視為強(qiáng)化元素，并且在晶界所具備的鍵合力要強(qiáng)于晶內(nèi)，弱化后的晶界會(huì)發(fā)生沿晶脆斷。因?yàn)榫Ы绲某恋硐嘁鸬难鼐嗔岩话闶鞘芫Ы鐘A雜物質(zhì)與第二相沉淀產(chǎn)生的，析出相在晶界上往往是球狀或棒狀、樹(shù)枝狀等，都不具有連貫性，一般會(huì)占50%以上的晶界表面，并且沉淀相越多的晶界其能夠承擔(dān)的斷裂應(yīng)力就越低。因?yàn)榛鼗鸫嘈运鶎?dǎo)致的晶界弱化是低合金鋼中雜質(zhì)元素偏聚發(fā)生晶界弱化的典例。金屬周邊的介質(zhì)環(huán)境也能夠通過(guò)侵蝕導(dǎo)致沿晶斷裂的發(fā)生，這種斷裂形式一般有相對(duì)較高強(qiáng)度鋼的氫脆、應(yīng)力腐蝕。高溫狀態(tài)下，因焊接、磨削導(dǎo)致的斷裂等也很常見(jiàn)。一般這種裂紋會(huì)在第二冷卻階段產(chǎn)生，并且中心裂紋常常是因?yàn)殍T坯縮孔或中心部位裂紋導(dǎo)致，軋制加工的過(guò)程中常常會(huì)受焊合導(dǎo)致，冶煉以及澆鑄工藝在操作時(shí)都會(huì)受到一定程度的影響。

5 改進(jìn)方式

鋼材裂紋對(duì)于頂鍛加工的合格率具有巨大影響，在軸承鋼的煉制過(guò)程中，需要控制精煉爐渣中夾雜物的量，需要特別注意其中氧化物夾雜量，并且對(duì)夾雜物的性質(zhì)和形態(tài)都要多加控制，塑性?shī)A雜物所占的比例應(yīng)當(dāng)有所增加，而類似CaO類型的球類夾雜物需要盡可能減少，鋼材中的硫含量也需要多加注意，減少硫的含量。因?yàn)榱鸭y導(dǎo)致的缺陷對(duì)頂鍛缺陷而言占總數(shù)的90%以上。為了減少這一缺陷，需要減少連鑄坯的皮下氣泡，這樣就能夠避免因?yàn)槠は職馀蒈堉七^(guò)程中破裂導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。目前的軸承鋼在生產(chǎn)中所運(yùn)用的主要是連鑄法工藝，對(duì)比另一種常見(jiàn)的模鑄工藝而言，連鑄生產(chǎn)的鋼材具有更好的表現(xiàn)質(zhì)量，連鑄生產(chǎn)的產(chǎn)品損耗比較低，成本利用率則較高。但高碳鉻軸承鋼在其中心碳偏析的要求非常嚴(yán)格，所以模鑄仍然很重要。鑄坯過(guò)快的加熱或者加熱不均勻，甚至溫度不夠高都可能會(huì)使軋件單道次變形相關(guān)指標(biāo)增大，在軋件的內(nèi)部金屬延伸以及寬展表現(xiàn)的不均等，掌握溫度環(huán)境能夠一定程度的避免裂縫產(chǎn)生。

6 結(jié)語(yǔ)

利用金相觀察技術(shù)，分析出重要的鋼材質(zhì)量缺陷，鋼材的此類缺陷對(duì)于鋼材質(zhì)量的影響非常重要。為了減少GCr15軸承鋼裂紋的產(chǎn)生以及其他鋼材質(zhì)量問(wèn)題，借助高效科學(xué)的檢測(cè)方法對(duì)于生產(chǎn)GCr15軸承鋼具有重要意義，能夠優(yōu)化相關(guān)鋼材的生產(chǎn)形式、技術(shù)，提高鋼材質(zhì)量。當(dāng)前各種工業(yè)設(shè)備對(duì)于軸承鋼的應(yīng)用非常多，當(dāng)前車輛以及機(jī)械設(shè)備、車輛上都需要軸承這種機(jī)械零件，這種作為滾動(dòng)機(jī)械的重要零件，承受軸承工作中滾動(dòng)體之間的高頻、變應(yīng)力作用，零件的工作環(huán)境比較復(fù)雜，承擔(dān)的荷載非常集中。軸承鋼GCr15圓鋼（直徑28～70mm）進(jìn)行頂鍛、低倍檢驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)裂紋，通過(guò)金相檢驗(yàn)方法等科學(xué)的鋼材質(zhì)量檢查方法，能探尋分析出重要的鋼材質(zhì)量缺陷，并能夠就主要質(zhì)量缺陷研究總結(jié)出改進(jìn)對(duì)策，優(yōu)化升級(jí)鋼材的生產(chǎn)和檢驗(yàn)，從根本上提高鋼材質(zhì)量。

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）

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1009-2374（2017）07-0039-02

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.018

趙劍琪（1978-），女，河北張家口人，河鋼集團(tuán)宣鋼公司技術(shù)中心工程師，研究方向：鋼材金相檢驗(yàn)。

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