轴承钢穿孔缺陷的控制实践

供稿|李卯华, 刘艳华, 赵德忠/LI Mao-hua, LIU Yan-hua, ZHAO De-zhong

轴承钢穿孔缺陷的产生是由于钢坯在加热过程中，钢锭(连铸坯)入炉温度过低，在升温过程中，受到轴承钢钢坯本身的高含量碳化物、非金属夹杂、气泡、偏析等因素的影响，造成的热应力、和冷却应力和钢锭内部的残余应力相叠加，造成应力集中[1]，在晶间结合力最薄弱的地方产生穿孔缺陷(由于这种缺陷产生时伴有响声，也称内响裂[1])，形成宏观孔洞的质量缺陷。从而使钢的力学性能和使用性能显著下降，成为过程废品，直接造成经济损失。在连轧机组中可能因出现穿孔而损伤或损坏机械设备。

轴承钢工艺路径及轴承钢化学成分

工艺路径

3.16(5)t电炉锭*(连铸坯)→均热炉(加热炉)→800初轧机→24架连轧机→保温→退火→检验→成品精整→上交

化学成分

表1 GCr15轴承钢的标准化学成分(质量分数) %

轴承钢穿孔的产生原因分析

轴承钢的含C量较高，一般在0.95%～1.05%，并且还含有一些合金元素，如Cr、Mn等。轴承钢属于高碳过共析钢，在常温下的组织组成物为珠光体和二次渗碳体，珠光体由铁素体和渗碳体组成，所以相组成物是铁素体和渗碳体[2]。铁素体是体心立方晶格，渗碳体的塑性和韧性非常差、硬度高，所以轴承钢的特性是在低温阶段导热性差、几乎没有塑性、硬而脆。在铸锭(连铸坯)冷却过程中，其含C量，冷却速度和断面越大，冷却应力越大，缺陷产生的几率就越大，在热加工的加热过程中，在坯料的应力集中处(非金属夹杂、气体、偏析、微裂纹)产生穿孔缺陷，因此轧制过程中出现穿孔的主要原因是钢锭内部存在组织应力，如何减少钢锭内部应力是关键[3]。如图1所示，在轧制过程中出现的穿孔缺陷的高温和室温时的外观形貌。

图1 轧制过程中出现的穿孔缺陷的高温和室温时的外观形貌

轴承钢穿孔的产生位置分析

模铸钢锭

特钢厂在实际生产过程中主要以3.16 t锭型为主，实际穿孔缺陷90%出现在锭身2/3的地方，即钢锭帽口处下200～300 mm处。原因之一是因为该位置相对小头端的截面要大很多，冷却应力和残余应力较大；其二，该部分是利用下铸法浇注的钢锭上部在浇注和镇静的过程中，其夹杂物和低熔点物质等上浮的聚集区域，因而成为应力集中区域。从均热炉加热出钢过程中，宏观来看在钢锭帽口沿下方200～300 mm处发生穿孔断裂，见图2。

图2 模铸锭加热后穿孔形貌

连铸钢坯

连铸坯的实际穿孔缺陷的位置无一定的规律，但发生穿孔的位置往往多聚集夹杂(渣)等非金属物质。

钢坯穿孔处的显微组织

从显微组织可看出，组织为正常退火后的球状珠光体。奥氏体晶粒未见明显粗大，无魏氏组织，原始奥氏体晶界有渗碳体析出，并形成封闭碳化物网状，从缺陷位置的组织看，基体组织中存在有沿着渗碳体开裂的显微裂缝，裂纹周围可见明显的脱碳层，如图3、图4所示。

图3 断口边缘处显微组织(×400)

图4 基体显微组织(×400)

坯料入炉状态对穿孔缺陷的影响

表2 轴承钢生产出现穿孔情况统计

从表2可看出，坯料入炉温度对穿孔缺陷的影响较大，2009年9月份以来，加热车间生产滚珠钢模铸锭62炉740支钢锭(坯)， 室温入炉部分炉次钢锭出现穿孔缺陷计36支。执行≥400 ℃入炉钢锭(坯)，从未出现过穿孔缺陷。

防止产生穿孔的方法和措施

特钢厂生产的3.16 t模铸锭锭型和连铸坯(350 mm×470 mm)属于大截面钢锭。鉴于轴承钢模铸锭的截面越大，冷锭冷却应力越大，冷锭入炉生产时产生穿孔缺陷的几率就越大。轴承钢在生产过程中原则上不允许变冷，杜绝冷锭入炉是预防穿孔缺陷的关键措施。

如果预知滚珠轴承钢执行不了热送温装工艺的，必须在铸钢进保温坑内缓冷，不可空冷；

均热炉坑代替保温车功能进行缓冷，对于不可避免变冷的轴承钢锭，必须进缓冷坑并且要求点燃一个烧嘴，保证坑内有一定温度，使钢锭(坯)在冷却过程中有一缓冲时间，禁止空冷，防止冷却速度过快，减缓冷却应力；

对均热炉坑炉温和表温有差异的进行重新标定，稳定执行加热工艺、温度和升温速度；

冷锭备坑温度≤400 ℃，800 ℃前升温速度减慢，为≤80 ℃/h；

严肃均热炉中滚珠轴承钢翻身工艺、保证温度均匀，待轧降温制度等；

加热炉中室温入炉坯料控制预热段和加热二段的炉温，装出钢速度均匀。

取得的成效

对轴承钢变冷锭的生产工艺执行，在生产加热初期的升温速度严格按照工艺执行为≤100 ℃/h(车间采取措施为≤80 ℃/h)，要求操作工做到三勤，即“勤观察、勤调整、勤推砂封”，加强工艺执行和监督力度，自从车间采取以上相应措施以来，总共生产了70炉次270支滚珠钢，全部为冷锭装炉，未产生穿孔缺陷。

结束语

穿孔是一种应力类型缺陷，杜绝冷锭(坯)入炉是预防穿孔缺陷的关键措施；

坯料铸造过程中，保证钢锭(坯)的非金属夹杂、气体、偏析、微裂纹在合格范围内，避免应力集中；

冷装坯料热送，保温环节，保证缓慢冷却，避免冷却应力和残存应力过大；

均(加)热初期，减慢加热速度，避免加热应力。

[1] 刘文，王兴珍. 轧钢生产基础知识问答. 第2版. 北京: 冶金工业出版社, 1994: 113, 194

[2] 崔忠圻, 刘北兴. 金属学与热处理原理. 哈尔滨: 哈尔滨工业出版社, 1998: 106-122

[3] 曹季林, 毛志刚, 赵向政. 大型钢锭轧板开裂和穿孔缺陷分析及浇铸工艺优化. 特殊钢, 2013, 34(4):36