分享：GCr15棒材热剪切开裂原因

大家好，欢迎来到IT知识分享网。

摘 要:在对某热轧态的GCr15棒材进行热剪切下料的过程中,其剪切面有开裂现象。采用宏 观观察、超声波检测、化学成分分析、扫描电镜分析及金相检验等方法分析其开裂原因。结果表明: 热轧棒材端部的中心应力裂纹是造成剪切开裂的主要原因,棒材端部的中心应力裂纹与棒材轧制 后未及时退火或者缓冷有关。

关键词:热轧;剪切开裂;中心应力裂纹

中图分类号:TG115.5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2023)08-0037-03

GCr15钢是高碳铬轴承钢,其耐磨性好、抗疲 劳强度高,广泛应用于传动轴上的钢球、滚子及轴 套等零件中[1-2]。钢球及轴套多由圆钢热加工成 型,既可以用退火态的圆钢,也可以用热轧态的圆 钢。高温剪切下料(锻造温度下料)是指将坯料加 热到锻造温度下进行剪切的一种下料工艺,在节 能、节材和实现模锻工艺的自动化、连续化等方面 有着不可替代的优势[3]。GCr15热轧圆棒的生产 工艺为:电弧炉冶炼→精炼→真空处理→连铸→ 红送至连续炉加热→连轧成ϕ85 mm 圆棒→精 整。为了提高生产效率,套圈生产厂家采用自动 下料机床进行加热剪切方式下料,剪切加热温度 为1080~1120℃,加热方式为高频感应加热,下 料后部分剪切面可见裂纹。笔者采用一系列理化 检验方法分析了剪切面裂纹形成的原因,以避免 该类问题再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

观察两个端面,两个剪切面均可见横向裂纹,裂 纹位于剪切面的下半部分,沿剪切方向变形,剪切面 宏观形貌如图1所示,图中箭头所指为剪切方向。

1.2 超声波检测

为了进一步明确缺陷的分布情况,对剪切面 中间部分进行手动超声检测,有裂纹的中间部分 有明显的缺陷波,沿圆周面进行360°径向纵波扫 查时,反射波幅有高低变化,并有不同程度的跳 动,而沿棒材纵向方向扫查时,波形无明显变化, 说明内部缺陷具有明显的方向性,波形特征如图2 所示。

1.3 化学成分分析

切取试样,用直读光谱仪对其进行化学成分分 析,结果如表1所示。由表1可知,其化学成分满足 GB/T18254—2016《高碳铬轴承钢》的要求。

1.4 扫描电镜(SEM)分析和金相检验

沿剪切面裂纹部位截取试样,垂直裂纹方向对 试样进行研磨抛光,采用扫描电镜观察,裂纹呈锯齿 状,靠近剪切面裂纹边缘可见氧化铁,内部裂纹边缘 未见氧化铁;整段裂纹边缘均未见大型夹杂物及高 温点状氧化产物(见图3)。将试样用硝酸乙醇溶液 腐蚀后,置于光学显微镜下观察,靠近剪切面部位裂 纹边缘可见轻微脱碳现象,裂纹边缘白亮部分为铁素体,内部裂纹边缘未见脱碳现象。

2 综合分析

平行于直径方向的裂纹位于剪切端面的下半部 分。超声波检测时发现,脉冲反射波时有时无,有明 显的规律性;出现缺陷波时,缺陷位于近中心部位。 由此可判断棒材横截面方向中心部位存在明显具有 方向性的线性缺陷。沿棒材纵向进行超声扫查时, 一直存在脉冲反射波,说明缺陷沿轧制方向贯穿整 个长度。根据剪切面的裂纹形貌特征及超声波检测 情况可以判断剪切面出现的裂纹与中心部位缺陷属 同一性质,剪切过程中,缺陷发生变形,因此在剪切 面上缺陷均位于下半部分。

裂纹均呈锯齿状,说明为应力开裂;裂纹边缘未 见非金属夹杂物,说明该缺陷与钢中非金属夹杂物 无关。靠近剪切面部分的裂纹边缘可见氧化铁及脱 碳现象,但裂纹边缘未见点状氧化产物,说明裂纹经 历过高温;内部裂纹边缘未见氧化脱碳现象。一般 而言,棒材在轧制前加热温度高达1150℃以上,且 高温段保温时间较长,裂纹边缘会形成密集的点状 氧化产物[4]。高频感应加热是一种利用电磁感应来 加热电导体的方法,会在金属中产生涡电流,因电阻 而造成金属的焦耳加热,加热速度快,用该种方式加 热,表面会形成一层氧化铁,但是不会产生点状内氧 化产物[5]。由此可以判断,棒材中心裂纹产生于轧 制之后、剪切之前。

GCr15轴承钢的含碳量较高,在连铸冷却过程 中,铸坯中心区域易产生碳元素和铬元素的偏析,在 后续的轧制过程中,中心区域二次碳化物容易在晶 界上聚集,形成网状碳化物,从而降低轴承钢的性 能。为了避免网状碳化物的析出,需要控制轧后冷 却速率及终轧温度。一般而言,棒材高温变形后要 立即进入超快冷却系统进行冷却[6-9]。对大规格棒 材表面进行强制快速冷却时,由于 GCr15钢的导热 性较差,心部温度下降得相对较慢,出现返温现象, 即棒材心部的热量通过热传导重新加热冷却的表 面,使得表面已经冷却的组织发生自回火,直至心部 温度与表面温度达到平衡。在此过程中,由于棒材 的端部暴露于空气中,冷却速率相对于中间部分更 快;表面及端面温度下降较快,形成马氏体,体积发 生膨胀,内部温度下降较慢,组织未发生转变。钢的 表面产生压应力,心部产生拉应力,若不及时退火或 者缓冷,在这种巨大内应力作用下,棒材心部容易出 现中心裂纹;一旦应力释放后,不会继续出现更多的 裂纹。该种情况下形成的裂纹多为一条,且多出现 在棒材的两端。轧制成型后的大规格棒材应尽快进 入缓冷坑缓冷或者直接退火[10-12]。

3 结论及建议

(1)热轧棒材中心应力裂纹是造成热剪切下料 端面开裂的主要原因。

(2)为避免棒材出现中心应力裂纹,圆棒轧制 后应及时退火或者缓冷。

(3)利用超声波检测仪对棒材进行无损检测, 可有效识别该类缺陷。为防止该类缺陷漏检,需对 棒材表面进行360°扫查。

参考文献:

[1] 姚文峰,罗玉田.高碳铬轴承钢的质量要求和轧制生 产工艺[J].科技情报开发与经济,1998(5):44-45.

[2] 宁玉亮,何康,刘年富,等.GCr15轴承钢先共析渗碳体 的相变规律[J].材料热处理学报,2019,40(7):94-100.

[3] 王军,张文旭,杨程,等.高温剪切下料工艺研究[J]. 重型机械,2018(6):1-7.

[4] 陈家新,杨娥,周立新,等.热轧钢材表面裂纹分析 [J].物理测试,2011,29(1):43-45.

[5] 丁得刚.感应加热技术发展概况[J].金属热处理, 1984,9(3):36-42.

[6] 王桂子.高碳铬轴承钢棒材的控制冷却[J].特殊钢, 1987,8(2):49-58.

[7] 闫肃,宋庆功,刘冶.高碳铬轴承钢棒材轧后冷却工艺 研究[J].热加工工艺,2008,37(18):79-81.

[8] 许加陆,李彦军,陈子坤,等.钢球用钢端部中心裂纹 产生原因分析[J].现代冶金,2010,38(5):13-15.

[9] 孙艳坤,张威.高温变形后冷却工艺对高碳铬轴承钢 组织和性能的影响[J].热加工工艺,2017,46(8): 100-103.

[10] 谷召坤,路晨龙.45Mn2热轧圆钢中心裂纹产生原因 分析[J].天津冶金,2020(2):64-66.

[11] 丛铁声,田利生,杨翊,等.GCr15SiMn连铸坯的中心 裂纹[J].物理测试,2013,31(4):53-55.

[12] 徐志刚,刘杰光,张迎涛.ϕ100mm GCr15SiMn轴承 钢棒内裂原因分析及对策[J].理化检验(物理分册), 2016,52(6):412-414,421.

<文章来源> 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 8期 (pp:37-39)>