GCr15轴承钢质量缺陷及改进措施分析

摘要：当前车辆以及机械设备、车辆上都需要轴承这种机械零件，轴承钢是滚动轴承生产材料的专用钢种。轴承钢因为需要承受轴承工作中滚动体之间的高频、变应力作用，机械构件的工作环境比较复杂，承担的荷载非常集中。文章对GCr15轴承钢的质量缺陷及改进措施进行了分析。

关键词：GCr15轴承钢；金相检验方法；钢材质量；裂纹；质量缺陷；改进措施 文献标识码：A

中图分类号：TF762 文章编号：1009-2374（2017）07-0039-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.018

目前的轴承钢中产量最大的钢种当属GCr15这种高碳铬轴承钢，轴承钢在应用中多运用在强冲击荷载以及交变荷载这种环境下，可见轴承钢需要具备的钢种功能。这种环境要求轴承钢的硬度以及高接触疲劳强度都能够表现良好的性质，并且对于轴承钢的韧性和淬透性具有品质要求。当前对于轴承钢生产采用的工艺比较传统，一般是利用连铸技术，对比模铸技术，连铸产品的表面质量更优秀，并且连铸的产品成材率与成本相比更优异。高碳铬轴承钢在其中心碳偏析的要求非常严格，所以模铸仍然很重要。轴承钢GCr15圆钢（直径28～70mm），此钢种在进行顶锻、低倍检验的时候，钢材截面或表面常常会检测出裂纹，这对钢材的应用具有严重的影响。利用金相显微镜、扫描电镜、能谱仪等先进设备对轴承钢GCr15圆钢进行金相显微组织分析，能够采集GCr15轴承钢金相组织图片，进一步展开膨胀、腐蚀情况、重构、灰度化处理，使裂纹图片更加清晰，测量更加准确，并且能够提取钢材中的碳化物颗粒，通过种种数据计算钢材中碳化物所占的比例，分析碳化物的不均匀情况，同时又能对裂纹的尺寸、内部形貌、内部夹杂进一步研究，进而评定出轴承钢GCr15圆钢的顶锻、低倍出现裂纹的原因，综合质量检验分析得出轴承钢GCr15圆钢的综合力学性能。

轴承钢GCr15圆钢在进行顶锻和低倍检验的时候，出现裂纹的研究与轴承钢GCr15化学成分关系密切。

切割轴承钢裂纹试样，对裂纹试样进行热镶嵌，再使用磨抛机进行磨制加工，随后抛光处理，然后使用扫描电镜观察存在裂纹缺陷的平面、横截面，通过仪器设备分析裂纹内部的能谱成分，使用能谱能够分析出裂纹处以及周边区域相关数据，最后使用4%的硝酸酒精进行腐蚀处理，处理后使用金相显微镜对裂纹及周边再次进行关于组织变化的观察。

1 轴承钢GCr15圆钢处理观察过程

裂纹呈现出弯曲的状态，测量得出其宽度大约为15μm，放大了裂纹图像后，可以观察到主要裂纹旁边存在很多细微的树枝状分支裂纹，并且这些裂纹具有孔洞的特性。当前我国的生产、检测设备较国外水平都有一定的落后，当前我国对于轴承材料的判别标准主要是观察轴承套圈的尺寸精度等。对GCr15轴承钢的观察中得知，GCr15轴承钢在经过0.1～1毫米/分的拉伸作用下，处于630℃～730℃之间温度环境下能够具备最优塑性，并且材料延伸率的最小值都能够超过250%，对于GCr15轴承钢超塑成型的应用提供了良好的环境。GCr15轴承钢延伸率最高值通常情况下会在680℃时达到，并且δ-V曲线图类似于吊钟形，不同温度的最适拉伸速度均存在峰值，超过峰值便会受拉伸速度的增减变化，并且材料的延伸率会慢慢降低。

2 金相图片在读取以及灰度化、滤波过程

金相图片的试样尺寸选择1280*1024（像素），选择的图片不宜过大，过大的图片在进行数据处理时非常缓慢，所以需要提前将图片进行剪切处理，然后再进行灰度化处理。将维纳滤波、非线性滤波以及对均值滤波进行对比分析，发现三种滤波中，维纳滤波能够得出在试样图片条件上最好的滤波效果，故选定使用维纳滤波。研究对象在边缘处与背景的灰度值存在显著的差异，需要对其进行补充，这就需要提高研究分析精度，一般是将整个灰度图像进行块处理，然后就所有分区进行局部的灰度调整，这就造成了对应图片灰度分析直方图表现得比较均匀，调整整幅图像的亮度可以进一步强化图片边缘的效果。

3 灰度图像腐蚀及重构

因由图像的操作是在二值化图像基础上展开的，所以图像处理的效果非常不合理，这就会导致图像的边缘表达信息存在遗漏，在轴承钢GCr15圆钢的灰度图片分析中，利用Marlab内的Imerode以及Imreconstruct两种函数展开处理，能实现灰度图片的腐蚀和重构相关操作，这样重复进行腐蚀处理所展现的轴承钢GCr15圆钢灰度图像。观察母材的金相图可以明显地看出材料表面的缺陷和问题，存在大量的氧化物，在腐蚀处理之后，裂纹处并不会显现出氧化原点，且未发生脱碳现象，可见连铸这种加工工艺并不会造成铸坯产生裂缝。

4 裂缝形成原因

在研究中发现，酸洗处理的钢料母材上有着断断续续的裂纹，其顶锻出现开裂的原因也正是因为母材表面上的毫无规律的裂纹，这些裂纹的产生原因并非是生产轧制过程中受到剐蹭或折叠加工所产生的。

在金属相关研究领域，一般是将晶界视为强化元素，并且在晶界所具备的键合力要强于晶内，弱化后的晶界会发生沿晶脆断。因为晶界的沉淀相引起的沿晶断裂一般是受晶界夹杂物质与第二相沉淀产生的，析出相在晶界上往往是球状或棒状、树枝状等，都不具有连贯性，一般会占50%以上的晶界表面，并且沉淀相越多的晶界其能够承担的断裂应力就越低。因为回火脆性所导致的晶界弱化是低合金钢中杂质元素偏聚发生晶界弱化的典例。金属周边的介质环境也能够通过侵蚀导致沿晶断裂的发生，这种断裂形式一般有相对较高强度钢的氢脆、应力腐蚀。高温状态下，因焊接、磨削导致的断裂等也很常见。一般这种裂纹会在第二冷却阶段产生，并且中心裂纹常常是因为铸坯缩孔或中心部位裂纹导致，轧制加工的过程中常常会受焊合导致，冶炼以及浇铸工艺在操作时都会受到一定程度的影响。

5 改进方式

钢材裂纹对于顶锻加工的合格率具有巨大影响，在轴承钢的炼制过程中，需要控制精炼炉渣中夹杂物的量，需要特别注意其中氧化物夹杂量，并且对夹杂物的性质和形态都要多加控制，塑性夹杂物所占的比例应当有所增加，而类似CaO类型的球类夹杂物需要尽可能减少，钢材中的硫含量也需要多加注意，减少硫的含量。因为裂纹导致的缺陷对顶锻缺陷而言占总数的90%以上。为了减少这一缺陷，需要减少连铸坯的皮下气泡，这样就能够避免因为皮下气泡轧制过程中破裂导致裂纹产生。目前的轴承钢在生产中所运用的主要是连铸法工艺，对比另一种常见的模铸工艺而言，连铸生产的钢材具有更好的表现质量，连铸生产的产品损耗比较低，成本利用率则较高。但高碳铬轴承钢在其中心碳偏析的要求非常严格，所以模铸仍然很重要。铸坯过快的加热或者加热不均匀，甚至温度不够高都可能会使轧件单道次变形相关指标增大，在轧件的内部金属延伸以及宽展表现的不均等，掌握温度环境能够一定程度的避免裂缝产生。

6 结语

利用金相观察技术，分析出重要的钢材质量缺陷，钢材的此类缺陷对于钢材质量的影响非常重要。为了减少GCr15轴承钢裂纹的产生以及其他钢材质量问题，借助高效科学的检测方法对于生产GCr15轴承钢具有重要意义，能够优化相关钢材的生产形式、技术，提高钢材质量。当前各种工业设备对于轴承钢的应用非常多，当前车辆以及机械设备、车辆上都需要轴承这种机械零件，这种作为滚动机械的重要零件，承受轴承工作中滚动体之间的高频、变应力作用，零件的工作環境比较复杂，承担的荷载非常集中。轴承钢GCr15圆钢（直径28～70mm）进行顶锻、低倍检验时出现裂纹，通过金相检验方法等科学的钢材质量检查方法，能探寻分析出重要的钢材质量缺陷，并能够就主要质量缺陷研究总结出改进对策，优化升级钢材的生产和检验，从根本上提高钢材质量。

参考文献

[1] 刘晓初，陈凡，何铨鹏，冯明松，姬武勋.GCr15轴承钢超高速磨削表面粗糙度与烧伤试验分析[J].组合机床与自动化加工技术，2016，（9）.

[2] 刘博，窦坤，杨振国，王宝，王雷，刘青.GCr15轴承钢大方坯宏观碳偏析形成机理及二次冷却调控机制研究[J].连铸，2015，（5）.

[3] 靳伍银，赵霞霞，祁晓玲，剡昌锋，师燚.基于数字图像处理的GCr15轴承钢金相组织定量分析[J].兰州理工大学学报，2013，（1）.

[4] 张大伟，张新平，潘晓铭，谢晓文，陈旭光，赵文

胜.预处理对GCr15轴承钢淬火组织与性能的影响[J].温州大学学报（自然科学版），2011，（2）.

[5] 孙永喜，李猛，申景霞，王学利，翟正龙，段崇虎，马佐仓，卢栋.莱钢GCr15高碳铬轴承钢生产工艺及质量状况[A].山东金属学会2005炼钢学术交流会论文集[C].山东金属学会炼钢学术委员会，2005.

作者简介：赵剑琪（1978-），女，河北张家口人，河钢集团宣钢公司技术中心工程师，研究方向：钢材金相检验。

（责任编辑：黄银芳）