GCr15鋼是高碳鉻軸承鋼,其耐磨性好、抗疲勞強度高，廣泛應用于傳動軸上的鋼球、滾子及軸套等零件中。鋼球及軸套多由圓鋼熱加工成型，既可以用退火態的圓鋼,也可以用熱軋態的圓鋼。高溫剪切下料(鍛造溫度下料)是指將坯料加熱到鍛造溫度下進行剪切的一種下料工藝，在節能、節材和實現模鍛工藝的自動化、連續化等方面有著不可替代的優勢。GCr15熱軋圓棒的生產工藝為：電弧爐冶煉→精煉→真空處理→連鑄→紅送至連續爐加熱 → 連軋成?85mm圓棒→精整。為了提高生產效率，套圈生產廠家采用自動下料機床進行加熱剪切方式下料，剪切加熱溫度為1080~1120℃，加熱方式為高頻感應加熱，下料后部分剪切面可見裂紋。研究人員采用一系列理化檢驗方法分析了剪切面裂紋形成的原因，以避免該類問題再次發生。
1、 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
觀察兩個端面，兩個剪切面均可見橫向裂紋，裂紋位于剪切面的下半部分，沿剪切方向變形，剪切面宏觀形貌如圖1所示，圖中箭頭所指為剪切方向。
1.2 超聲波檢測
為了進一步明確缺陷的分布情況，對剪切面中間部分進行手動超聲檢測，有裂紋的中間部分有明顯的缺陷波，沿圓周面進行360°徑向縱波掃查時，反射波幅有高低變化，并有不同程度的跳動，而沿棒材縱向方向掃查時，波形無明顯變化，說明內部缺陷具有明顯的方向性，波形特征如圖2所示。
1.3 化學成分分析
切取試樣，用直讀光譜儀對其進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知，其化學成分滿足GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》的要求。
1.4 掃描電鏡(SEM)分析和金相檢驗
沿剪切面裂紋部位截取試樣，垂直裂紋方向對試樣進行研磨拋光，采用掃描電鏡觀察，裂紋呈鋸齒狀，靠近剪切面裂紋邊緣可見氧化鐵，內部裂紋邊緣未見氧化鐵；整段裂紋邊緣均未見大型夾雜物及高溫點狀氧化產物(見圖3)。將試樣用硝酸乙醇溶液腐蝕后，置于光學顯微鏡下觀察，靠近剪切面部位裂紋邊緣可見輕微脫碳現象，裂紋邊緣白亮部分為鐵素體，內部裂紋邊緣未見脫碳現象。
2、 綜合分析
平行于直徑方向的裂紋位于剪切端面的下半部分。超聲波檢測時發現，脈沖反射波時有時無，有明顯的規律性；出現缺陷波時，缺陷位于近中心部位。由此可判斷棒材橫截面方向中心部位存在明顯具有方向性的線性缺陷。沿棒材縱向進行超聲掃查時，一直存在脈沖反射波，說明缺陷沿軋制方向貫穿整個長度。根據剪切面的裂紋形貌特征及超聲波檢測情況可以判斷剪切面出現的裂紋與中心部位缺陷屬同一性質，剪切過程中，缺陷發生變形，因此在剪切面上缺陷均位于下半部分。
裂紋均呈鋸齒狀，說明為應力開裂；裂紋邊緣未見非金屬夾雜物，說明該缺陷與鋼中非金屬夾雜物無關。靠近剪切面部分的裂紋邊緣可見氧化鐵及脫碳現象，但裂紋邊緣未見點狀氧化產物，說明裂紋經歷過高溫；內部裂紋邊緣未見氧化脫碳現象。一般而言，棒材在軋制前加熱溫度高達1150℃以上，且高溫段保溫時間較長，裂紋邊緣會形成密集的點狀氧化產物。高頻感應加熱是一種利用電磁感應來加熱電導體的方法，會在金屬中產生渦電流，因電阻而造成金屬的焦耳加熱，加熱速度快,用該種方式加熱,表面會形成一層氧化鐵，但是不會產生點狀內氧化產物。由此可以判斷，棒材中心裂紋產生于軋制之后、剪切之前。
GCr15軸承鋼的含碳量較高，在連鑄冷卻過程中，鑄坯中心區域易產生碳元素和鉻元素的偏析，在后續的軋制過程中，中心區域二次碳化物容易在晶界上聚集，形成網狀碳化物，從而降低軸承鋼的性能。為了避免網狀碳化物的析出，需要控制軋后冷卻速率及終軋溫度。一般而言，棒材高溫變形后要立即進入超快冷卻系統進行冷卻。對大規格棒材表面進行強制快速冷卻時，由于GCr15鋼的導熱性較差，心部溫度下降得相對較慢，出現返溫現象，即棒材心部的熱量通過熱傳導重新加熱冷卻的表面，使得表面已經冷卻的組織發生自回火，直至心部溫度與表面溫度達到平衡。在此過程中，由于棒材的端部暴露于空氣中，冷卻速率相對于中間部分更快；表面及端面溫度下降較快，形成馬氏體，體積發生膨脹，內部溫度下降較慢，組織未發生轉變。鋼的表面產生壓應力，心部產生拉應力，若不及時退火或者緩冷，在這種巨大內應力作用下，棒材心部容易出現中心裂紋；一旦應力釋放后，不會繼續出現更多的裂紋。該種情況下形成的裂紋多為一條，且多出現在棒材的兩端。軋制成型后的大規格棒材應盡快進入緩冷坑緩冷或者直接退火。
3、 結論及建議
(1)熱軋棒材中心應力裂紋是造成熱剪切下料端面開裂的主要原因。
(2)為避免棒材出現中心應力裂紋，圓棒軋制后應及時退火或者緩冷。
(3)利用超聲波檢測儀對棒材進行無損檢測，可有效識別該類缺陷。為防止該類缺陷漏檢，需對棒材表面進行360°掃查。
作者：劉月云，楊娥，周楊，彭先錦，田浩
單位：大冶特殊鋼有限公司 高品質特殊鋼湖北省重點實驗室
來源：《理化檢驗-物理分冊》2023年第8期
