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失效分析現(xiàn)場(chǎng)直擊――GCr15軸承鋼管穿孔內(nèi)翹皮缺陷成因

2019-03-07

　　背景

　　本鋼采用轉(zhuǎn)爐連鑄連軋工藝生產(chǎn)的GCr15軸承鋼，在某用戶熱穿孔軸承鋼管過程中發(fā)生內(nèi)翹皮缺陷。由于缺陷比例較大且無法在線分選，且缺陷在后續(xù)冷拔過程中進(jìn)一步延伸，嚴(yán)重影響了冷拔(冷軋)軸承鋼無縫鋼管的質(zhì)量，導(dǎo)致在加工成品軸承套圈時(shí)出現(xiàn)了成批廢品，影響了用戶的交貨周期。

　　本文根據(jù)實(shí)際質(zhì)量問題情況，對(duì)該起GCr15軸承鋼管穿孔內(nèi)翹皮缺陷成因進(jìn)行了分析，以避免類似失效的再產(chǎn)生。

　　穿孔工藝及主要缺陷

　　用戶使用本鋼產(chǎn)∮70mm軸承鋼棒料作為生產(chǎn)原料，冷拔軸承鋼管生產(chǎn)工藝為：GCr15軸承鋼棒→下料1.5m→加熱穿孔→球化退火→酸洗→磷化→皂化→冷拔。用戶發(fā)現(xiàn)熱穿孔后部分軸承鋼管內(nèi)壁有內(nèi)翹皮缺陷，缺陷出現(xiàn)率在8％左右，成45°角沿鋼管內(nèi)壁呈螺旋狀分布，典型缺陷宏觀形貌如圖1所示。

圖1 熱穿孔后軸承鋼管內(nèi)壁缺陷宏觀形貌

　　冷拔軸承鋼管后制作軸承套圈時(shí)，也發(fā)現(xiàn)批量軸承套圈廢品，缺陷出現(xiàn)率在18％左右，缺陷以鋸齒狀、魚鱗狀、半弧形裂紋狀分布在軸承套圈內(nèi)壁上，典型缺陷宏觀形貌如圖2所示。

圖2 軸承套圈內(nèi)壁缺陷宏觀形貌

　　工藝對(duì)比試驗(yàn)分析

　　從缺陷的形態(tài)和位置上看，無法判定是鋼棒本身缺陷在穿孔過程中形成內(nèi)翹皮還是穿孔過程中頂頭等設(shè)備出現(xiàn)了異常造成的刮傷等。為了確認(rèn)內(nèi)翹皮缺陷來源于鋼棒本身缺陷或者熱穿孔工藝不當(dāng)，采用不同鋼廠生產(chǎn)的不同批次的軸承鋼棒進(jìn)行熱穿孔工藝對(duì)比試驗(yàn)。

　　試驗(yàn)軸承鋼棒選用本鋼生產(chǎn)的∮70mm軸承鋼及其他鋼廠生產(chǎn)的相同規(guī)格的軸承鋼共4個(gè)批次，試驗(yàn)設(shè)備采用某廠軸承鋼管生產(chǎn)線設(shè)備。按照同樣的穿孔工藝將不同批次的軸承鋼棒依次進(jìn)行熱穿孔試驗(yàn)，具體加熱工藝為四段煤氣爐加熱，加熱溫度制度為加熱段840℃，均熱段1080℃，采用人工推鋼，加熱時(shí)間為1.5h。

　　穿孔過程中棒料外徑保持不變，棒料長(zhǎng)度由1.5m拉伸到6m。采用肉眼對(duì)熱穿孔后的軸承鋼管內(nèi)壁進(jìn)行窺測(cè)，發(fā)現(xiàn)缺陷集中出現(xiàn)在同一批次的軸承鋼棒料上，且缺陷出現(xiàn)比例及形態(tài)與先前質(zhì)量問題對(duì)應(yīng)性明顯。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，軸承鋼管內(nèi)翹皮缺陷與穿孔工藝無關(guān)，與軸承鋼棒質(zhì)量相關(guān)。

　　鋼棒質(zhì)量分析

　　1　化學(xué)成分分析

　　從軸承鋼管缺陷附近取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，按照GB/T4336-2002在德國(guó)OBLF公司生產(chǎn)的QSN750型直讀光譜儀上進(jìn)行分析，雙方協(xié)議值及試樣實(shí)際化學(xué)成分如表1所示。

表1 軸承鋼雙方協(xié)議及實(shí)際化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

　　由表1可見：本鋼軸承鋼的化學(xué)成分控制完全滿足技術(shù)協(xié)議要求，不會(huì)產(chǎn)生晶界偏析造成晶間脆性斷裂并影響軸承鋼棒的穿孔使用。

　　2　金相分析

　　顯微組織分析

　　將鋼棒切割后制備成橫向檢驗(yàn)試樣，預(yù)磨、拋光后用4％(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液浸蝕，在ZEISSAXiOPLan2金相顯微鏡下觀察。

圖3 基體顯微組織形貌

　　如圖3所示，鋼棒基體顯微組織為片狀珠光體團(tuán)，組織形態(tài)與軋制的終軋溫度和軋后冷卻速率相關(guān)，為正常的軋后組織。

　　將存在缺陷的軸承鋼管切割后制成金相試樣，觀察軸承鋼管內(nèi)壁及內(nèi)裂紋根部處的顯微組織。

圖4 鋼管內(nèi)壁顯微組織形貌

圖5 裂紋根部顯微組織形貌

　　如圖4和圖5所示，熱穿孔軸承鋼管內(nèi)壁脫碳與內(nèi)裂紋根部脫碳程度相當(dāng)，這表明鋼管內(nèi)壁缺陷與穿孔內(nèi)壁的形成是伴生的，內(nèi)翹皮“裂紋”缺陷是在穿孔過程中產(chǎn)生的。

　　對(duì)缺陷試樣按照GB/T18254-2002進(jìn)行夾雜物評(píng)級(jí)，夾雜物分布均勻、尺寸細(xì)小，鋼棒純凈度優(yōu)良，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　微區(qū)成分分析

　　采用5600LV掃描電鏡附帶的能譜議對(duì)缺陷處進(jìn)行微區(qū)成分分析，結(jié)果如圖6和表2所示。

圖6 能譜分析位置

表2 缺陷附近能譜分析結(jié)果　%

　　由表2可見：缺陷附近富集氧、鐵元素，同時(shí)含有少量的鉻元素，表明缺陷邊緣已經(jīng)被氧化，含有鉻與軸承鋼成分特點(diǎn)相關(guān)，說明內(nèi)翹皮缺陷在穿孔初期就已經(jīng)形成。

　　3　超聲檢測(cè)

　　化學(xué)成分分析、金相分析及能譜分析結(jié)果表明，軸承鋼管內(nèi)翹皮缺陷是由于鋼棒內(nèi)部質(zhì)量問題產(chǎn)生的。∮70mm軸承鋼經(jīng)過穿孔后，在內(nèi)壁出現(xiàn)長(zhǎng)條狀鼓泡及線狀裂紋，說明鋼材內(nèi)部可能存在缺陷。

　　將出現(xiàn)缺陷批次的鋼棒進(jìn)行超聲檢測(cè)，采用SIUICTS-4030手提便攜式探傷儀，探頭2.5P20Z，純凈水做耦合劑，參照GB/T4162-2008中A級(jí)探傷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行超聲檢測(cè)。

圖7 超聲檢測(cè)傷波

　　試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)部分鋼棒存在嚴(yán)重的傷波，且傷波具有一定的連續(xù)性，間隔一段無周期性出現(xiàn)，波形如圖7。傷波出現(xiàn)在始脈沖與底波的中間，周向移動(dòng)缺陷波高寬度會(huì)有變化，較密集，回波顯示較敏銳。探傷儀顯示缺陷分布在鋼棒接近心部的位置。檢測(cè)同深度不同寬度的裂紋，定位完全相同，波幅與裂紋不完全成線形關(guān)系。

　　為了確定缺陷的宏觀形態(tài)，在傷波處取低倍試片進(jìn)行低倍檢驗(yàn)。

圖8 疏松缺陷低倍形貌8×

　　由圖8可見，與傷波對(duì)應(yīng)較明顯的鋼棒缺陷是較嚴(yán)重的中心疏松。按照GB/T1979-2001評(píng)定為2.5級(jí)。由于中心疏松處材料強(qiáng)度較低，塑性較差，在熱穿孔變形過程中撕裂延展，宏觀表現(xiàn)為內(nèi)翹皮缺陷遺傳在軸承鋼管內(nèi)壁。

　　根據(jù)超聲檢測(cè)結(jié)果，將有傷波的鋼棒與其他批次鋼棒再次進(jìn)行穿孔工藝對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，有傷波的鋼棒穿孔后出現(xiàn)類似的內(nèi)翹皮缺陷，且缺陷形態(tài)和比例對(duì)應(yīng)性明顯。由此可見，通過超聲波檢測(cè)分選可以避免缺陷的產(chǎn)生。

　　結(jié)論及建議

　　GCr15軸承鋼管穿孔內(nèi)翹皮缺陷是鋼棒嚴(yán)重的中心疏松缺陷在熱穿孔過程中撕裂延展而產(chǎn)生的。采用超聲探傷檢測(cè)可以提前發(fā)現(xiàn)缺陷，避免存在缺陷的軸承鋼棒進(jìn)入穿管工序。

　　選自：《理化檢驗(yàn)—物理分冊(cè)》Vol.55 2019.2

　　作者：彭可武，副教授，遼寧科技學(xué)院