论影响轴承钢质量的各种因素

　　摘　要：从夹杂物、氧含量等冶金参数对轴承钢裂纹质量问题的影响程度和轴承钢白点等问题作了初步的分析，提出了控制和改进措施。
　　关键词：轴承钢；裂纹；质量；研究
　　轴承钢坯材裂纹质量问题成因是一个多元函数。裂纹形态不同，形成原因肯定是不同的。作者在质量检查工作实践中体会到:经常发现在同一个钢坯或钢材表面几种缺陷共存，由此看出形成原因就更复杂了。为此，试从影响轴承钢裂纹质量的6种可能因素和环节作一综合性分析。
　　1　氧化物对轴承钢质量的影响
　　钢包喷吹工艺利用载气将Si-Ca粉状物质直接吹入钢包中，迅速加快钢水反应，有利于夹杂物的上浮和排除，可以明显地降低钢中的氧、硫含量和夹杂物的含量，提高钢的综合性能和使用寿命。许多冶金工作者针对喷吹Si-Ca粉剂、促进钢水脱氧、脱硫的良好效果都做了证实和研究。
　　在GCr15钢中，大颗粒的夹杂物危害大，愈少愈好，而小于1μm的夹杂物不但无害反而有利。金属学专家肖纪美先生指出：钢中夹杂物是一种脆性相，其体积分数f_v愈高，韧性愈低，夹杂物的尺寸愈大，韧性下降的愈快。对于解理断裂的韧性而言，夹杂物的尺寸愈细小，夹杂物的间距愈小，则韧性不但不下降，反而提高。因为晶内脆性相如果排列较密，则可缩短位错堆塞距离，使解理断裂不易发生，从而可以提高解理断裂强度，也可阻止断裂伸展，并使断裂尺寸限于颗粒间距而提高解理断裂强度。这些提高韧性的因素也必然是延长寿命的原因。
　　为了认识夹杂物的本质和形成原因，就必须研究夹杂物的形态和属性，并指导工艺的改革。在光学显微镜下可以观察到：喷吹工艺生产的GCr15钢中硫化物，往往沿热加工流线呈条状，其组成物质为MnS、FeS，以氧化物为核心的复合硫化物也屡见不鲜。
　　钢中的氧化物是钢液在凝固过程中，铝、钙、硅等元素溶解氧形成的氧化物。氧化物夹杂量是氧的函数，随着氧含量的降低，氧化物夹杂将减少。同样氮含量与氮化物也存在着函数关系，由于氮化物在钢材中分布较分散，起着同碳化物同样作用的支点作用，所以对钢材疲劳寿命没有起到破坏作用。钢中由于氧化物的存在，破坏了金属基体的连续性，又由于氧化物的膨胀系数小于轴承钢基体膨胀系数，当承受交变应力时，易产生应力集中，成为金属疲劳的发源地。裂纹多数产生在氧化物、点状夹杂物和基体之间，当应力足够大时就产生裂纹，并迅速扩展而破坏。夹杂物塑性越低，形状越尖棱，则应力集中也就越大。为了提高轴承钢的疲劳寿命，控制好真空脱气处理和炉外喷吹精炼轴承钢，是减少氧化物含量、改变夹杂物类型和分布状态切实有效的方法。
　　2　硫化物对轴承钢质量的影响
　　钢中的硫化物几乎全部以硫化物形态存在。凡钢中的硫含量增高，则钢中的化合硫相应增高，但因硫化物能很好的包围在氧化物的周围，减少了氧化物对疲劳寿命的影响。所以说，夹杂物的数量对疲劳寿命的影响并不是的，与夹杂物的性质、大小和分布有关。不一定夹杂物多，疲劳寿命就一定低，必须联系其他影响因素加以综合考虑。有的专家研究结果得出：夹杂物平均直径小于0.8μm以下时，不影响其疲劳强度。
　　硫化物具有较低的熔点，当钢凝固时，就附着在多角形的氧化物夹杂的表面，特别是棱角处，形成氧化物———硫化物共生夹杂物。因此硫含量适当的提高，增加氧化物被硫化物包围的机会，导致共生夹杂数量增多。当热加工时，这种共生夹杂物与基体之间造成一个平滑的内表面，它的应力集中倾向比脆性棱角形氧化物低。同时由于硫化物的膨胀系数大，不易出现拉应力，被硫化物包围的氧化物与基体之间的应力也是很低的。当硫化物-氧化物共生时，即使硫化物夹杂体积比氧化物大或小，基体中的残余应力比起没有同硫化物结合的来说，在程度上有所减轻。残余应力本身是不足以引起疲劳的，但遇到存在的氧化物夹杂，应力就会加强，氧化物被应力所包围，再加上任何外加的应力，使应力强化到某种程度，结果导致产生疲劳裂纹。所以外部应力是破坏的直接原因，而夹杂是内因，这两者的应力场将使材料更加经不住外来的应力。当硫化物与氧化物共生时，则残余应力较低，压应力的作用也小，这将阻碍裂纹的发生，材料也就增强了抵抗外来应力的能力，提高材料的疲劳寿命。
　　在喷粉工艺生产的GCr15钢中硫化物变成了细小球状弥散分布，并且混入氧化物夹杂之中，既使用金相方法也难以辩认。试验证实：在原有工艺的基础上，增加Al量对降低氧化物、硫化物、夹杂物起到积极的作用，这是优化工艺的重要举措。主要原因在于降低钢中的氧含量。在精炼初期钢中的氧主要是以Al₂O₃夹杂形式存在，这有利于在喷吹过程中去除。在喷吹过程中，CaO与Al₂O₃结合，提供了很好的去除条件，优化后的工艺使轴承钢的质量有明显的改善，这是降低钢中氧化物夹杂的重要技术思路。
　　这是因为：喷入钢液中的Ca具有相当强的脱硫能力。喷吹Si-Ca粉的过程，应主要是Ca的脱硫。但覆盖渣对脱硫的影响不可忽略。具有强的脱氧能力的覆盖渣，在出钢及喷吹过程中在渣钢界面进行脱硫反应，还通过钙脱硫产物间的相互作用，促进钙脱硫反应的进行，保证了深脱硫效果的实现。
　　夹杂物对强度影响甚微，而对钢的韧性危害较大，其危害程度又取决于钢的强度。强度愈高，夹杂物对韧性的危害愈大。甚至在较低的应力作用下，夹杂物可能成为高强低韧性材料的裂纹源。由于高强度材料抗断裂能力较差，一旦出现裂纹源，就会使裂纹源迅速扩展并导致断裂。
　　非金属夹杂物及夹杂物和基体的界面都是影响钢材连续性的薄弱环节。钢中夹杂物是裂纹成核的场所，导致钢材会优先在大颗粒夹杂上成核，因此将钢中非金属夹杂物可看作是等价的裂纹。轴承钢在交变载荷作用下，其中小颗粒夹杂物也会开裂，形成微裂纹，这些微裂纹又会长大直至成为失稳扩展的裂纹源。微裂纹的扩展通常称为亚稳扩展。我们在轴承钢的拉伸断口观察中曾发现1个10μm的球形夹杂物为裂纹源，这与我们的研究结论是一致的。
　　3　氧含量对轴承钢质量的影响
　　轴承钢内在质量的综合标志就是疲劳寿命，材质的优劣对轴承钢寿命影响Z大，钢中氧含量是影响材质的重要因素。钢中氧含量越低，则其纯洁度越高，相对应的额定寿命就越长。国内轴承钢额定标准寿命一般波动在4.521×10⁶～9.3433×10⁶周次。世界上质量Z好的轴承钢（标钢代号为：NBS1094）氧含量为3.5ppm，北满特钢生产的轴承钢氧含量一般为5～10ppm。
　　试验结果表明：喷粉精炼工艺之所以取得比电炉工艺成倍的提高材质的使用寿命，关键在于喷粉工艺通过喷吹装置吹入粉状物质，大大加速反应的动力学，有利于夹物物细化和上浮，提高了材质的纯洁度。因此，合理的喷粉工艺必须立足于强化钢液的脱氧、脱硫和夹杂物排除的基础上。
　　4　超级白点对轴承钢质量的影响
　　白点是轴承钢中常见的一种冶金缺陷，关于对白点的研究在全国冶金界一直受到普遍的重视。我们通过应用酸浸低倍、段口检验、金相及扫描电镜观察分析等手段，弄清了GCr15钢超级白点缺陷的本质和成因，认为超级白点是导致钢坯异常脆断的内在因素。
　　白点的微观特征是研究白点形成机理的有效方法。研究指出：对轴承钢而言，白点的微观形态和热处理状态有关，调质状态的GCr15钢基体为索氏体，其宏观基体断口为细瓷状，白点为粗晶银白色亮斑。扫描电镜观察瓷状断口的微观形态为准解理断裂，而白点为粗大的沿晶断口。观察可见，白点断口的晶粒粗大，尺寸约在0.1～0.2μm之间，是其基本晶粒的10倍多，白点和基体之间有明显的边界和二次裂纹。如果白点裂纹与断口垂直，那么在断口上看到的就是一条沿晶裂纹，由于晶粒粗大而又沿晶扩展，所以裂纹呈锯齿状。观察结果表明：白点裂纹的晶界面呈现精细条纹状特征。X射线显示仪已经证明：这种精细条纹是渗碳体。经高温处理后，晶界的渗碳体可以固溶到基体中。在白点区也可看到沿晶波纹状、层片状及椭圆形长条形显微孔隙。由此可见，白点形成裂纹核主要是钢中存在的原始空隙，在轧后的冷却过程中，通过氢原子的扩散输运的富集，就有可能首先从这里向基体中扩展而产生白点断裂。充氢的显微孔隙虽不是白点裂纹，却是白点裂纹核，值得着重指出的是沿晶渗碳体精细条纹造成在晶界上存在显微孔细。所以说晶界本身也是白点裂纹核，轴承钢白点表现了独特的沿晶裂纹特征。
　　根据前述宏观微观检验的结果不难看出：在同一时期出现的看起来并不相关的白点与脆断现象本质上存在着内在必然联系，梅花图案脆性断口和低倍白点裂纹形态分布的一致性;在冲击断口试验中断裂并不沿着刻槽而沿着白点裂纹无规则的碎断现象：与白点相通的显微孔隙及晶界上的空隙，这些试验事实说明，在轴承钢中的超级白点已经破坏了钢基体的连续性。在雨季冶炼的GCr15轴承钢气体含量之高，已经使得轧后缓冷等消除白点的工艺措施失去意义。由于钢中的氢气含量较高，在冷却时，当氢原子发生分子状态的聚集后，一些未被轧合的充氢显微孔隙使钢局部的压力增加，白点区晶粒尺寸和基体区的较大差别在冷却时也将产生较大的组织应力，助长了白点裂纹的扩展，随着时间的增加，白点继续的缓慢长大，甚至于有的白点在钢中相连接，发生了各种情况的异常断裂现象。
　　5　氮化物对轴承钢质量的影响
　　喷吹工艺生产的GCr15钢中氮化物夹杂有明显的增加，但是颗粒细小，分散均匀，属于TiN型夹杂物，这与喷粉工艺增加钢中〔N〕的含量是对应的。钢中TiN夹杂物，有的有核心，有的无核心。借助于505型扫描电镜和能谱分析，发现其核心的组成元素通常为Al和Ca。这说明钢中含Al和Ca的微颗粒夹杂是氮化钛析出成核着床的场所。喷粉工艺的氧化物夹杂呈细小弥散分布，因此更有利于氮化钛的成核、析出和长大，这可能就是喷粉工艺钢中Al₂O₃型夹杂物基本消失的内在原因之一。
　　6　加热工艺对轴承钢内在质量的影响
　　加热温度是一个重要的冶金参数。检验中发现的内部过烧，轴承钢的“研磨裂纹”均与加热温度过高有关。电炉GCr15钢加热温度为1230℃，这一温度，有效控制了过热、过烧缺陷的产生。与过烧过热相反，在生产中也发现了低温出炉轧制而产生表面缺陷的实例。作者在生产实际中发现:轴承钢、弹簧钢、工具钢、不锈钢很少有低温轧制裂纹，这也说明，这类钢种非常适合低温轧制。均热炉同加热炉相比，Z大特点是同锭温差小，不象加热炉那样阴阳面那么大。但是目前采用的单侧烧嘴的均热炉整个炉膛温度分布是不均匀的，炉子温差大是先天不足，个别烧嘴火焰太强所导致的局部过烧也时有发生。
　　钢锭热送后可能要发生以下两种不利情况：其一，钢锭热送到轧钢车间后恰好在两相区装炉加热，这样在粗大的奥氏体验晶界会析出AlN，MnS等而使晶界脆化，因此使高温变形能力恶化。其二，如果高温热送，加热后使钢的晶粒比相变后再加热的钢晶粒粗大10倍，大大降低了高温塑性。在执行钢锭热送轧制工艺中，由于热送在两相区停留时间过长，就容易形成裂纹和混晶。因此，对于热送的钢锭，必须确保既不在高温装炉也不在两相区装炉，测量这个Z佳热送时间是很有实际意义的工作。作者在主管热送质检工作的日子里，对热送的传搁时间（浇注完毕到开始装炉的间隔时间）进行了认真研究和分析，共统计160炉小于2h拔模和120炉大于2h正常拔模及不同的传搁时间钢锭成坯后表面废品率，得出一个结论：以90min脱模、传搁时间大于4h效果为Z好。
　　钢锭升温速度也是不可忽视的影响因素。快速加热高效工艺能明显降低能耗和提高劳动生产率，并对细化晶粒也有好处。但是，由于快速加热过程不可避免地要发生热应力的增大，因此出现加热裂纹的危险。检验中也发现了有些轧制裂纹是由于加热速度过快，钢锭在炉中就产生了裂纹而形成的。升温过快也可导致表面过烧。解决提高效率，降低热力成本和避免出现加热裂纹之间的矛盾前提，有赖于正确认识快速加热所产生的应力大小。