GCr15轴承钢热剪切开裂失效分析
2015-11-16金林奎袁裕光赵建国王春亮
■金林奎，袁裕光，赵建国，王春亮
1. 概述
（1）GCr15轴承钢主要用于制造滚动轴承，是轴承专用钢种，常用来制造工具、量具、机床轴类和冷作模具，最多用于轴承加工。轴承制品一般要承受高负载的表面接触应力，需要承受高强度的接触疲劳，这就要求材料必须具有较高的强度和耐磨性，而且必须具有较高的冲击寿命、断裂韧度和良好的抗弯性能。因此，轴承钢的热处理工艺要求必须规范，同时对原材料的质量要求也很高，特别是对材料的非金属夹杂物含量要求非常严格。
（2）直径为90mm的GCr15轴承钢，炉号为T213-8541、T213-8544、T213-8546、T213-8547。采用自动下料机床进行加热剪切，加热温度正常控制在1050～1100℃。在原材料热剪切过程中，操作工发现料坯批量开裂。现场调查发现，圆钢开裂的部位大多集中在横截面上，距中心部位的直径方向呈纵向裂开，裂纹的开口处沿切向应力向下翻卷开裂（见图1）。
（3）原材料开裂的废品率非常高，炉号为T213-8541的原材料废品率达60%以上，其他炉号废品率在20%～30%。该轴承钢产品件属于订单生产，即使发现圆钢热剪切批量开裂，仍然要保持供货量，所以将炉号为T213-8546的原材料用完，炉号为T213-8541的原材料废品率最高，已停止使用，其他两个炉号圆钢试用部分材料。
GCr15原材料化学成分（质量分数） （%）
2. 化学成分分析
在生产加工的过程记录中，追溯到该批产品的原材料入库批次号，查找到原材料生产炉号，以及对应的材料牌号和圆钢直径。截取原材料样块，尺寸为25mm×25mm×15mm（长×宽×厚），进行化学成分检验，检验设备为Labs park5000精密直读火花光谱仪。检验结果表明，化学成分（见附表）符合材料标准要求。
图1 热剪切失效件实物
3. 金相检验
（1）金相组织观察，热剪切开裂的裂纹开口处有一条特别细长的条状非金属夹杂物。经金相显微镜100倍下测量，该夹杂物的长度已经超过100mm。在剪切应力作用下，沿非金属夹杂的端部形成脆性开裂。裂纹断口的边缘，显示为曲折状脆性断裂的形貌特征（见图2）。
（2）在裂纹断口的附近，有部分区域呈现韧窝状的韧性开裂特征。图3断口的韧窝从左边开始，向右边继续向前扩展，延伸至非金属夹杂物存在的地方，开始形成脆性沿晶裂纹。在脆性断口的底部，有明显的硅酸盐夹杂物（见图3）。由于非金属夹杂物存在，部分区域呈现粗大的沿晶断口。断口边缘附近，可见明显的夹杂物脱落形成的孔洞。在沿晶断裂的剥落坑两旁，有韧性开裂的撕裂棱形貌特征（见图4）。
（3）材料的基体组织，被非金属夹杂物分割成大小不等的块状。断口边缘的材料基体组织，在剪切应力下即将被撕开的形态。这是由于非金属夹杂物造成的典型沿晶开裂的特征（见图5）。由于非金属夹杂物的存在，使断口处呈现多种形态，韧性开裂的韧窝旁边，是脆性沿晶开裂的夹杂物脱落坑，紧接着又是韧性特征的撕裂棱形貌特征。断口边缘附近，依然存在较多块状非金属夹杂物（见图6）。
（4）随着剪切速度的增加，部分区域呈现剪切唇的穿晶解理特征断口。当断口迅速扩展至非金属夹杂物时，会形成脆性开裂的台阶，断口越过脆性开裂的台阶继续向前扩展。断口附近同样存在非金属夹杂物，以及显示组织疏松的显微孔隙（见图7）。因非金属夹杂物造成的脆性开裂台阶更加明显，断口扩展至夹杂物台阶处向内延伸形成二次裂纹，且在二次裂纹的底部有大块状硅酸盐夹杂物（见图8）。
（5）在非金属夹杂物较严重的部位，可见大块状及断续条状分布的非金属夹杂物，使断口呈现曲折的脆性断口。断口明显可见非金属夹杂物及粗大晶粒的脱落坑，断口附近存在显微孔隙（见图9）。在材料基体组织中，观察到较为严重的显微孔隙，这种缺陷组织是组织疏松的典型特征，它的存在会割断基体的连续性，极易使材料形成应力集中开裂（见图10）。
图2 裂纹源夹杂物（100×）
图3 韧窝断口（100×）
图4 沿晶断口（100×）
图5 沿晶+撕裂棱（100×）
图6 韧窝+沿晶+撕裂棱（100×）
图7 夹杂物开裂处（100×）
图8 夹杂物开裂处（100×）
（6）对材料组织中的非金属夹杂物进行检验，检验部位分布大量的硫化物和硅酸盐夹杂物。硫化物细系总长度达100mm，夹杂物要求含量不允许超过2.5级（A类细系2.5级，总长度不大于65mm），见图11。硅酸盐粗系长度达83mm，夹杂物要求含量不允许超过0.5级（C类粗系0.5级长度不大于18mm）。实测夹杂物级别远超过标准要求（见图12）。
（7）热剪切过程中，由于透热炉加热的高温氧化，断口表层的脱碳层较为严重。在表面脱碳层中，明显可见因非金属夹杂物造成的沿晶开裂二次裂纹（见图13）。由于透热炉加热的时间短、温度低，组织显示为伪共析珠光体＋细网状碳化物，组织晶粒细小均匀。组织中明显可见非金属夹杂物脱落的粗大孔洞。由于剪切应力的作用，在夹杂物孔洞的边缘，已经形成应力集中开裂的显微裂纹（见图14）。
4. 结论分析
（1）原材料的非金属夹杂物和显微孔隙严重超标，特别是A类硫化物夹杂和C类硅酸盐夹杂，已经明显超过国家标准GB/T18254—2002《高碳铬轴承钢》的技术要求范围。
（2）硫化物夹杂的存在，是由于材料自身的杂质元素未能得到净化。硅酸盐夹杂是由于钢液在造渣过程中没有完全清除。非金属夹杂物脆性大且强度低，与金属基体组织的膨胀系数差别很大，因此非金属夹杂物的边缘应力分布极不均匀。非金属夹杂物的存在，破坏了金属材料基体的连续性，使材料组织的脆性增大，韧性降低。
（3）显微孔隙是钢锭扩散退火的组织均匀化处理后，再经过轧制而形成的。组织均匀化的扩散退火，使液析区的碳化物回溶，液固两相的膨胀系数不同，破坏了两相区结合的牢固性，轧制变形的应力使两相区组织撕裂成显微孔隙。
（4）条状分布的非金属夹杂物，以及呈链状分布的显微孔隙，分割了材料基体组织，使基体组织的强度显著降低。在热剪切应力的作用下，沿非金属夹杂物及显微孔隙的端部及边缘形成裂纹源，然后随着外加应力使裂纹继续扩展，最终导致工件开裂失效。
图9 夹杂物剥落坑（100×）
图10 原材料显微孔隙（100×）
图11 硫化物夹杂（100×）
图12 硅酸盐夹杂（100×）
图13 夹杂物二次裂纹（100×）
图14 夹杂物脱落坑（100×）
