GCr15成品轴表面缺陷成因分析
发布时间：2014-06-06卢栋 翟正龙 卢爱凤
（莱芜钢铁集团有限公司，山东莱芜 271104）
（莱芜钢铁集团有限公司，山东莱芜 271104）
摘 要：针对GCr15成品轴表面裂纹，采用金相、扫描电镜等手段进行了全面分析。结果表明，裂纹与钢材表面夹角很小，裂纹内存在铁的氧化物或者保护渣类夹杂物，裂纹两侧发生明显脱碳，裂纹为夹杂物和角部裂纹引起的折叠导致。采用合适的中间包水口、合理的二次冷却制度、性能优良的结晶器保护渣等是减少折叠缺陷的有效途径。
关键词：GCr15成品轴；表面裂纹；折叠
1 前言
莱钢特钢事业部轴承钢生产已有30多a的历史，以生产高碳铬轴承钢的代表钢种GCr15为主，先后经历了电炉冶炼＋模铸、电炉冶炼+LF炉外精炼＋模铸、电炉冶炼+LF炉外精炼＋VD真空处理＋模铸和电炉冶炼+LF炉外精炼+VD真空处理＋连铸4个不同的工艺时期，产品先后经历了按YB9-68、YJZ-84两部协议要求生产、GB/T18254-2000和GB/T18254-2002标准生产4个阶段，能够满足一般中高档用户质量要求。
用户在使用φ52mmGCr15圆钢后续车削加工过程中，个别出现纵向裂纹，影响了正常使用。针对这一问题，本研究对GCr15成品轴表面缺陷成因进行分析，以期找出应对措施，进一步提高产品质量。
2 缺陷分析
典型轴表面裂纹缺陷形貌如图1所示。对1号和2号GCr15成品轴取样进行化学成分、高倍金相以及扫描电镜分析。
关键词：GCr15成品轴；表面裂纹；折叠
1 前言
莱钢特钢事业部轴承钢生产已有30多a的历史，以生产高碳铬轴承钢的代表钢种GCr15为主，先后经历了电炉冶炼＋模铸、电炉冶炼+LF炉外精炼＋模铸、电炉冶炼+LF炉外精炼＋VD真空处理＋模铸和电炉冶炼+LF炉外精炼+VD真空处理＋连铸4个不同的工艺时期，产品先后经历了按YB9-68、YJZ-84两部协议要求生产、GB/T18254-2000和GB/T18254-2002标准生产4个阶段，能够满足一般中高档用户质量要求。
用户在使用φ52mmGCr15圆钢后续车削加工过程中，个别出现纵向裂纹，影响了正常使用。针对这一问题，本研究对GCr15成品轴表面缺陷成因进行分析，以期找出应对措施，进一步提高产品质量。
2 缺陷分析
典型轴表面裂纹缺陷形貌如图1所示。对1号和2号GCr15成品轴取样进行化学成分、高倍金相以及扫描电镜分析。
图1 GCr15成品轴表面缺陷及纵向裂纹形貌
2.1 化学成分分析
化学成分分析结果见表1，产品化学成分符合GB/T18254-2002标准规定。
化学成分分析结果见表1，产品化学成分符合GB/T18254-2002标准规定。
表1 圆钢化学成分分析结果 （质量分数）%
2.2 扫描电镜及能谱分析
试样裂纹处横截面组织形貌见图2。由图2a可以看出，1号试样裂纹距表面仅0.2～0.3mm，形态较直，与表面夹角较小，放大后裂纹附近有沿晶氧化（见图2b），腐蚀后发现裂纹四周完全脱碳（见图2c）。2号试样裂纹同样距表面仅0.2～0.3mm（见图2d），与表面夹角很小，放大后可看出裂纹内有灰黑色的块状物（见图2e），腐蚀后裂纹周围脱碳（见图2f），但其形态与1号试样裂纹明显不同，特别是裂纹接近表面处较细，中段较粗。
试样裂纹处横截面组织形貌见图2。由图2a可以看出，1号试样裂纹距表面仅0.2～0.3mm，形态较直，与表面夹角较小，放大后裂纹附近有沿晶氧化（见图2b），腐蚀后发现裂纹四周完全脱碳（见图2c）。2号试样裂纹同样距表面仅0.2～0.3mm（见图2d），与表面夹角很小，放大后可看出裂纹内有灰黑色的块状物（见图2e），腐蚀后裂纹周围脱碳（见图2f），但其形态与1号试样裂纹明显不同，特别是裂纹接近表面处较细，中段较粗。
图2 试样裂纹处横截面组织形貌
试样裂纹处的扫描电镜能谱分析结果见图3。1号试样裂纹内部主要成分为氧化铁（见图3a）；2号试样裂纹内部主要为Si、O、Al、Ca等元素（见图3b），为钢中夹渣。
图3 试样裂纹扫描电镜能谱分析
3 综合分析
在热轧、热挤压等热加工过程中，由于多种原因将在钢材表面形成局部或者线形折叠缺陷。
1）连铸钢坯表层金属存在的原始缺陷，在热加工过程中形成的折叠。
2）钢坯表面的氧化皮或凸出部分，在压延过程中压入钢中形成的折叠。
3）由于孔型设计不当或内部发生缺损时，在轧制过程中首先形成褶皱，进而形成折叠。
4）钢坯表面形成的裂纹等缺陷在进一步轧制过程中演变成的折叠，其中，导致折叠的连铸钢坯表层金属存在原始缺陷包括非金属夹杂物、裂纹、气孔或气泡。
①夹杂物引起的折叠[1]：聚集在连铸坯皮下25mm以内的夹杂物是形成钢材表面“夹杂物型”折叠的主要原因。研究认为：折叠中夹杂物的主要来源有脱氧产物（簇状的Al2O3和TiO2或TiN等）、结晶器保护渣或炉渣同钢水二次氧化物相互作用的产物及被卷入连铸坯的结晶器保护渣。这3种夹杂物产生的概率分别为19%、47%、34%。这些夹杂物经轧制后暴露于钢板表面，从而形成折叠。采用合理的脱氧工艺、降低大包渣中的FeO含量、优化中间包和结晶器流场、采用结晶器液面控制和性能优良的保护渣是防止夹杂物型折叠缺陷的有效措施。
②裂纹引起的折叠[2]：铸坯表面裂纹、角部裂纹、皮下纵裂纹等是形成“裂纹型”折叠的主要诱因。连铸坯裂纹在经过热轧加热炉高温氧化后，细小的浅裂纹在轧制过程中渐渐消失。而深裂纹则演变成钢板表面的折叠缺陷。而且钢板表面裂纹的延伸长度与压下量成正比，裂纹深度与压下量成反比。采用合适的中间包水口、合理的二次冷却制度、性能优良的结晶器保护渣以及对结晶器液面波动进行有效控制是减少“裂纹型”折叠缺陷的有效途径。
③气孔或气泡引起的折叠：连铸坯表面气泡、皮下气泡和气孔也会形成折叠缺陷。在加热炉内，连铸坯皮下气孔内表面被氧化形成脱碳层，轧制后不能焊合从而形成折叠缺陷。连铸坯皮下气泡在轧制过程中，形成带状“起皮”缺陷，微观分析发现缺陷内有氧化物夹杂。采取强化脱氧、降低钢中氧含量、加强保护浇铸、合理控制中包塞棒和滑动水口吹氩流量、严格中间包烘烤制度以及把好合金材料和中间包、结晶器保护渣水分关等措施，对减少“气泡、气孔型”线状缺陷有明显效果。
不管形成折叠的原因如何，所有折叠缺陷具有共同的宏观特征、金相低倍特征和显微组织特征。即裂纹与钢材表面夹角小，裂纹内存在铁的氧化物或保护渣类夹杂物，裂纹两侧发生明显脱碳。
对送检试样的检查结果表明，表面缺陷具有上述形态特征，属于轧制过程中形成的折叠。根据1号试样裂纹内为FeO夹杂，该表面缺陷系裂纹引起的折叠；根据裂纹两侧脱碳层范围较大，且脱碳层内铁素体晶粒较粗，分析认为，应是角部裂纹引起的折叠。2号试样裂纹内存在Si、Ca、Mn的复合氧化物，分析认为，2号试样的表面缺陷为夹杂物引起的折叠。
参考文献：
[1]逯登尧,王金海,刘蕾.连铸坯表面夹渣分析及预防措施[J].山东冶金,2008,30(1):49-51.
[2]高爱民,张虎成,李增玉,等.连铸方(矩形)坯表面裂纹成因与对策[J].天津冶金,2007(1):16.
在热轧、热挤压等热加工过程中，由于多种原因将在钢材表面形成局部或者线形折叠缺陷。
1）连铸钢坯表层金属存在的原始缺陷，在热加工过程中形成的折叠。
2）钢坯表面的氧化皮或凸出部分，在压延过程中压入钢中形成的折叠。
3）由于孔型设计不当或内部发生缺损时，在轧制过程中首先形成褶皱，进而形成折叠。
4）钢坯表面形成的裂纹等缺陷在进一步轧制过程中演变成的折叠，其中，导致折叠的连铸钢坯表层金属存在原始缺陷包括非金属夹杂物、裂纹、气孔或气泡。
①夹杂物引起的折叠[1]：聚集在连铸坯皮下25mm以内的夹杂物是形成钢材表面“夹杂物型”折叠的主要原因。研究认为：折叠中夹杂物的主要来源有脱氧产物（簇状的Al2O3和TiO2或TiN等）、结晶器保护渣或炉渣同钢水二次氧化物相互作用的产物及被卷入连铸坯的结晶器保护渣。这3种夹杂物产生的概率分别为19%、47%、34%。这些夹杂物经轧制后暴露于钢板表面，从而形成折叠。采用合理的脱氧工艺、降低大包渣中的FeO含量、优化中间包和结晶器流场、采用结晶器液面控制和性能优良的保护渣是防止夹杂物型折叠缺陷的有效措施。
②裂纹引起的折叠[2]：铸坯表面裂纹、角部裂纹、皮下纵裂纹等是形成“裂纹型”折叠的主要诱因。连铸坯裂纹在经过热轧加热炉高温氧化后，细小的浅裂纹在轧制过程中渐渐消失。而深裂纹则演变成钢板表面的折叠缺陷。而且钢板表面裂纹的延伸长度与压下量成正比，裂纹深度与压下量成反比。采用合适的中间包水口、合理的二次冷却制度、性能优良的结晶器保护渣以及对结晶器液面波动进行有效控制是减少“裂纹型”折叠缺陷的有效途径。
③气孔或气泡引起的折叠：连铸坯表面气泡、皮下气泡和气孔也会形成折叠缺陷。在加热炉内，连铸坯皮下气孔内表面被氧化形成脱碳层，轧制后不能焊合从而形成折叠缺陷。连铸坯皮下气泡在轧制过程中，形成带状“起皮”缺陷，微观分析发现缺陷内有氧化物夹杂。采取强化脱氧、降低钢中氧含量、加强保护浇铸、合理控制中包塞棒和滑动水口吹氩流量、严格中间包烘烤制度以及把好合金材料和中间包、结晶器保护渣水分关等措施，对减少“气泡、气孔型”线状缺陷有明显效果。
不管形成折叠的原因如何，所有折叠缺陷具有共同的宏观特征、金相低倍特征和显微组织特征。即裂纹与钢材表面夹角小，裂纹内存在铁的氧化物或保护渣类夹杂物，裂纹两侧发生明显脱碳。
对送检试样的检查结果表明，表面缺陷具有上述形态特征，属于轧制过程中形成的折叠。根据1号试样裂纹内为FeO夹杂，该表面缺陷系裂纹引起的折叠；根据裂纹两侧脱碳层范围较大，且脱碳层内铁素体晶粒较粗，分析认为，应是角部裂纹引起的折叠。2号试样裂纹内存在Si、Ca、Mn的复合氧化物，分析认为，2号试样的表面缺陷为夹杂物引起的折叠。
参考文献：
[1]逯登尧,王金海,刘蕾.连铸坯表面夹渣分析及预防措施[J].山东冶金,2008,30(1):49-51.
[2]高爱民,张虎成,李增玉,等.连铸方(矩形)坯表面裂纹成因与对策[J].天津冶金,2007(1):16.
来源：《山东冶金》第34卷第2期 2012年4月