軸承鋼顯微孔隙缺陷產(chǎn)生原因及預(yù)防措施的探討
2009-02-13 1.前言
軸承是機(jī)械行業(yè)的重要基礎(chǔ)性部件，其工作特點是承受強(qiáng)沖擊和交變載荷，其損壞的主要原因是微小裂紋的擴(kuò)展。因此，內(nèi)部組織的均勻與致密是十分重要的。
軸承鋼內(nèi)部組織缺陷是形成微裂紋的主要原因，除常見的液析、帶狀等缺陷外，顯微孔隙也是一種缺陷，它會破壞軸承鋼基體的連續(xù)性與致密性。根據(jù)YB9-68技術(shù)條件，顯微孔隙為供需雙方協(xié)議項目，但隨著顧客對鋼材質(zhì)量要求的加嚴(yán)，從91年起，特鋼開始出現(xiàn)軸承鋼顯微孔隙質(zhì)量疑議，顯微孔隙主要出現(xiàn)在∮70-120規(guī)格。即650分廠產(chǎn)材部分。 ( 特鋼公司可產(chǎn)軸承鋼∮25-180，其中∮25-65為300分廠產(chǎn)材，∮70-120為650分廠產(chǎn)材，∮125-180為鍛鋼產(chǎn)材。650分廠設(shè)備概況是：有三座三段連續(xù)式加熱爐，650＊3橫列式軋機(jī)一套，以及相應(yīng)的剪切、包裝設(shè)備。)
因此，從92年起，對顯微孔隙進(jìn)行考核。92年合格率為92.9%，650分廠一次合格率為86.85%，因顯微孔隙造成的改制品為671噸；為此特鋼公司于93年成立了攻關(guān)組，通過開展一系列的工作，對軸承鋼顯微孔隙的產(chǎn)生原因有了一定認(rèn)識，通過采取相應(yīng)措施，96年合格率達(dá)到99.09%，650分廠一次合格率達(dá)到96.69%，因顯微孔隙造成的改制品量降為68噸，顯微孔隙缺陷基本得到控制。
2.顯微孔隙的形貌與特征
顯微孔隙從金相檢驗圖片上看，是沿晶界斷續(xù)形成不規(guī)則形狀的裂紋或孔隙，顯微孔隙缺陷區(qū)大都出現(xiàn)于鋼材的中心部位，沿軋制方向呈現(xiàn)條帶狀分布，經(jīng)分析[1]缺陷區(qū)有碳化物偏析，局部區(qū)域出現(xiàn)大塊碳化物堆積現(xiàn)象，氧化物夾雜的分布與顯微孔隙形貌相吻合。
3.鋼材產(chǎn)生顯微孔隙的統(tǒng)計規(guī)律
3.1不同規(guī)格鋼材顯微孔隙分布規(guī)律
軸承是機(jī)械行業(yè)的重要基礎(chǔ)性部件，其工作特點是承受強(qiáng)沖擊和交變載荷，其損壞的主要原因是微小裂紋的擴(kuò)展。因此，內(nèi)部組織的均勻與致密是十分重要的。
軸承鋼內(nèi)部組織缺陷是形成微裂紋的主要原因，除常見的液析、帶狀等缺陷外，顯微孔隙也是一種缺陷，它會破壞軸承鋼基體的連續(xù)性與致密性。根據(jù)YB9-68技術(shù)條件，顯微孔隙為供需雙方協(xié)議項目，但隨著顧客對鋼材質(zhì)量要求的加嚴(yán)，從91年起，特鋼開始出現(xiàn)軸承鋼顯微孔隙質(zhì)量疑議，顯微孔隙主要出現(xiàn)在∮70-120規(guī)格。即650分廠產(chǎn)材部分。 ( 特鋼公司可產(chǎn)軸承鋼∮25-180，其中∮25-65為300分廠產(chǎn)材，∮70-120為650分廠產(chǎn)材，∮125-180為鍛鋼產(chǎn)材。650分廠設(shè)備概況是：有三座三段連續(xù)式加熱爐，650＊3橫列式軋機(jī)一套，以及相應(yīng)的剪切、包裝設(shè)備。)
因此，從92年起，對顯微孔隙進(jìn)行考核。92年合格率為92.9%，650分廠一次合格率為86.85%，因顯微孔隙造成的改制品為671噸；為此特鋼公司于93年成立了攻關(guān)組，通過開展一系列的工作，對軸承鋼顯微孔隙的產(chǎn)生原因有了一定認(rèn)識，通過采取相應(yīng)措施，96年合格率達(dá)到99.09%，650分廠一次合格率達(dá)到96.69%，因顯微孔隙造成的改制品量降為68噸，顯微孔隙缺陷基本得到控制。
2.顯微孔隙的形貌與特征
顯微孔隙從金相檢驗圖片上看，是沿晶界斷續(xù)形成不規(guī)則形狀的裂紋或孔隙，顯微孔隙缺陷區(qū)大都出現(xiàn)于鋼材的中心部位，沿軋制方向呈現(xiàn)條帶狀分布，經(jīng)分析[1]缺陷區(qū)有碳化物偏析，局部區(qū)域出現(xiàn)大塊碳化物堆積現(xiàn)象，氧化物夾雜的分布與顯微孔隙形貌相吻合。
3.鋼材產(chǎn)生顯微孔隙的統(tǒng)計規(guī)律
3.1不同規(guī)格鋼材顯微孔隙分布規(guī)律
表1
從表1中看出，顯微孔隙主要出現(xiàn)在650分廠，占總量的80% 。
3.2 纖維孔隙與液析之間關(guān)系的統(tǒng)計數(shù)據(jù)
3.2 纖維孔隙與液析之間關(guān)系的統(tǒng)計數(shù)據(jù)
表2
從表2 中可看出，液析與顯微孔隙基本不同時出現(xiàn)。
3.3 不同加工工藝對比
3.3.1軋制與鍛制工藝對比
3.3 不同加工工藝對比
3.3.1軋制與鍛制工藝對比
表3
3.3.2不同預(yù)備方對比
表4
4.顯微孔隙產(chǎn)生的原因分析
4.1 顯微孔隙形成原理分析
軸承鋼含碳量在1.0左右，是過共析鋼。澆鑄時一次碳化物(Fe3C)產(chǎn)生支晶偏析。在軋鋼車間進(jìn)行加熱過程中，碳化物如不能溶解擴(kuò)散，在鋼材上即產(chǎn)生液析，但如果加熱溫度過高，擴(kuò)散時間過長，碳化物即熔化或消失留下孔洞甚至產(chǎn)生內(nèi)燒[2]，孔洞如果在以后的軋制過程中不能焊合，即形成顯微孔隙。
顯微孔隙和液析是對立的，基本不同時出現(xiàn)，從表2數(shù)據(jù)看,在總量262爐不合中,只有1爐兩者同時出現(xiàn),也說明此問題。
4.2 加工車間與顯微孔隙形成相關(guān)工藝參數(shù)分析
在加工車間，加熱溫度、出鋼速度和軋制工藝道次變形量與顯微孔隙形成有關(guān)。
①加熱溫度對顯微孔隙的影響
加熱溫度的高低，直接影響碳化物能否順利擴(kuò)散或是否產(chǎn)生過燒，因此，合理的加熱溫度是必要的，從統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，產(chǎn)生顯微孔隙的爐號，加熱溫度偏高，儀表顯示溫度為1270-1295℃,這樣鋼錠的實際溫度為1220-1240℃。根據(jù)資料[3]和技術(shù)規(guī)程[4]，軸承鋼合理的加熱溫度為1180-1220℃，當(dāng)溫度偏高時，容易產(chǎn)生碳化物熔化或內(nèi)燒[2]，因此，實際生產(chǎn)溫度應(yīng)按中下制控制，即控制在1180-1200℃范圍內(nèi)。對應(yīng)的儀表顯示溫度為1230-1250℃(溫度過低不利于碳化物擴(kuò)散和液析的消除)。
②出鋼速度與顯微孔隙的關(guān)系
控制出鋼速度實際上是控制鋼錠加熱時間和鋼錠內(nèi)外透燒、組織一至性。軸承鋼鋼錠擴(kuò)散時間為2.5小時，對應(yīng)的出鋼速度為45支/小時[4]。出鋼速度因為與諸多因素相關(guān)，不適宜做大的調(diào)整。
③軋制工藝對顯微孔隙的影響
從統(tǒng)計數(shù)據(jù)表1看，∮70-120規(guī)格鋼材顯微孔隙出現(xiàn)幾率Z高占80.45%，而∮100-120即大于50%，同規(guī)格∮120軸承鋼軋制與鍛制對比實驗看表3，鍛造狀態(tài)不易出現(xiàn)顯微孔隙，軋制狀態(tài)容易出現(xiàn)顯微孔隙。這是因為∮100-120組距為軋制規(guī)格極限，大于∮120為鍛材。因軋制狀態(tài)下的應(yīng)力狀態(tài)是兩拉一壓[5]，形變不易滲透到中心部位，焊合作用相對較小，因而易形成顯微孔隙；而在段造狀態(tài)下，因應(yīng)力狀態(tài)是三向壓應(yīng)力[5]，變形易滲透到中心部位，焊合作用相對較大，因而不易形成顯微孔隙。
因此，改進(jìn)∮100-120規(guī)格心部變形的應(yīng)力狀態(tài)，加大變形量，均可變形滲透到中心，加大焊合作用從而減少或消除顯微孔隙。
考慮鍛造作業(yè)率較低，因此如通過改進(jìn)軋制道次變形量分配的方法，適度加大某道次壓下率，也可以使變形滲透到中心部位，增強(qiáng)焊合作用，為此也進(jìn)行了工藝實驗，即將650軋機(jī)一架入二架預(yù)備方由120改為140，加大此道次變形量，試驗結(jié)果見表4、表5：
4.1 顯微孔隙形成原理分析
軸承鋼含碳量在1.0左右，是過共析鋼。澆鑄時一次碳化物(Fe3C)產(chǎn)生支晶偏析。在軋鋼車間進(jìn)行加熱過程中，碳化物如不能溶解擴(kuò)散，在鋼材上即產(chǎn)生液析，但如果加熱溫度過高，擴(kuò)散時間過長，碳化物即熔化或消失留下孔洞甚至產(chǎn)生內(nèi)燒[2]，孔洞如果在以后的軋制過程中不能焊合，即形成顯微孔隙。
顯微孔隙和液析是對立的，基本不同時出現(xiàn)，從表2數(shù)據(jù)看,在總量262爐不合中,只有1爐兩者同時出現(xiàn),也說明此問題。
4.2 加工車間與顯微孔隙形成相關(guān)工藝參數(shù)分析
在加工車間，加熱溫度、出鋼速度和軋制工藝道次變形量與顯微孔隙形成有關(guān)。
①加熱溫度對顯微孔隙的影響
加熱溫度的高低，直接影響碳化物能否順利擴(kuò)散或是否產(chǎn)生過燒，因此，合理的加熱溫度是必要的，從統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，產(chǎn)生顯微孔隙的爐號，加熱溫度偏高，儀表顯示溫度為1270-1295℃,這樣鋼錠的實際溫度為1220-1240℃。根據(jù)資料[3]和技術(shù)規(guī)程[4]，軸承鋼合理的加熱溫度為1180-1220℃，當(dāng)溫度偏高時，容易產(chǎn)生碳化物熔化或內(nèi)燒[2]，因此，實際生產(chǎn)溫度應(yīng)按中下制控制，即控制在1180-1200℃范圍內(nèi)。對應(yīng)的儀表顯示溫度為1230-1250℃(溫度過低不利于碳化物擴(kuò)散和液析的消除)。
②出鋼速度與顯微孔隙的關(guān)系
控制出鋼速度實際上是控制鋼錠加熱時間和鋼錠內(nèi)外透燒、組織一至性。軸承鋼鋼錠擴(kuò)散時間為2.5小時，對應(yīng)的出鋼速度為45支/小時[4]。出鋼速度因為與諸多因素相關(guān)，不適宜做大的調(diào)整。
③軋制工藝對顯微孔隙的影響
從統(tǒng)計數(shù)據(jù)表1看，∮70-120規(guī)格鋼材顯微孔隙出現(xiàn)幾率Z高占80.45%，而∮100-120即大于50%，同規(guī)格∮120軸承鋼軋制與鍛制對比實驗看表3，鍛造狀態(tài)不易出現(xiàn)顯微孔隙，軋制狀態(tài)容易出現(xiàn)顯微孔隙。這是因為∮100-120組距為軋制規(guī)格極限，大于∮120為鍛材。因軋制狀態(tài)下的應(yīng)力狀態(tài)是兩拉一壓[5]，形變不易滲透到中心部位，焊合作用相對較小，因而易形成顯微孔隙；而在段造狀態(tài)下，因應(yīng)力狀態(tài)是三向壓應(yīng)力[5]，變形易滲透到中心部位，焊合作用相對較大，因而不易形成顯微孔隙。
因此，改進(jìn)∮100-120規(guī)格心部變形的應(yīng)力狀態(tài)，加大變形量，均可變形滲透到中心，加大焊合作用從而減少或消除顯微孔隙。
考慮鍛造作業(yè)率較低，因此如通過改進(jìn)軋制道次變形量分配的方法，適度加大某道次壓下率，也可以使變形滲透到中心部位，增強(qiáng)焊合作用，為此也進(jìn)行了工藝實驗，即將650軋機(jī)一架入二架預(yù)備方由120改為140，加大此道次變形量，試驗結(jié)果見表4、表5：
表5
從實驗看，一次合格率明顯提高，說明采用加大預(yù)備方的方法是可行的。
5.顯微孔隙的預(yù)防與消除措施
結(jié)合顯微空隙形成原因分析，在加工車間采取如下措施可以預(yù)防和消除顯微孔隙：
①控制加熱溫度：軸承鋼鋼錠的加熱溫度按工藝規(guī)程中下限控制即1180-1200℃爐內(nèi)氣氛的溫度為1230-1250℃。
②控制出鋼速度：出鋼速度控制在45支/小時,控制擴(kuò)散時間在2.5小時左右。
③改進(jìn)軋制工藝：改一架入二架預(yù)備方由120為140。
6.消除顯微孔隙措施實施的效果
經(jīng)采取以上措施，650分廠軸承鋼顯微孔隙出現(xiàn)率基本得到控制,統(tǒng)計結(jié)果如下：
①控制加熱溫度：軸承鋼鋼錠的加熱溫度按工藝規(guī)程中下限控制即1180-1200℃爐內(nèi)氣氛的溫度為1230-1250℃。
②控制出鋼速度：出鋼速度控制在45支/小時,控制擴(kuò)散時間在2.5小時左右。
③改進(jìn)軋制工藝：改一架入二架預(yù)備方由120為140。
6.消除顯微孔隙措施實施的效果
經(jīng)采取以上措施，650分廠軸承鋼顯微孔隙出現(xiàn)率基本得到控制,統(tǒng)計結(jié)果如下：
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7.結(jié)論
①加熱溫度過高，是產(chǎn)生顯微孔隙的重要原因，合理的加熱溫度為1180-1200℃。
②控制出鋼速度可以有效控制鋼錠加熱時間和鋼錠內(nèi)外透燒、組織一至性，防止顯微孔隙的出現(xiàn)。
③改進(jìn)加工過程心部應(yīng)力狀態(tài)，加大變形量，均可使變形滲透到中心，加大焊合作用從而減少或消除顯微孔隙。（作者：孟慶武，朱錦，本溪鋼鐵集團(tuán)公司）
①加熱溫度過高，是產(chǎn)生顯微孔隙的重要原因，合理的加熱溫度為1180-1200℃。
②控制出鋼速度可以有效控制鋼錠加熱時間和鋼錠內(nèi)外透燒、組織一至性，防止顯微孔隙的出現(xiàn)。
③改進(jìn)加工過程心部應(yīng)力狀態(tài)，加大變形量，均可使變形滲透到中心，加大焊合作用從而減少或消除顯微孔隙。（作者：孟慶武，朱錦，本溪鋼鐵集團(tuán)公司）