GCr15轴承钢酸洗腐蚀麻点成因分析.pdf

工业加熟2023年第52 卷第6 期Vol.52No.62023D0I:10.3969/j.issn.1002-1639.2023.06.017摘要：轴承钢作为加工滚珠、滚柱以及轴承套圈的原材料，在机械装备、交通运输、航空航天等方面均发挥至关重要作用。针对某钢厂工业化生产的GCr15轴承钢，在酸洗过程中出现的腐蚀麻点问题，利用金相、扫描电子显微镜、电子探针X射线显微分析等实验方法对其组织形貌及化学元素分布进行分析。结果表明，在截取试样横截面的边部及中心位置腐蚀麻点密集数量较多，C、C r 元素在凝固过程中发生偏析,最终形成与腐蚀坑位置相对应较为平直的富Cr的碳化物带状组织,并且沿纵向贯穿整个试样，晶界周围的基体形成贫Cr区，在贫Cr区域抗腐蚀能力下降，这是腐蚀麻点产生的主要原因。通过采用高温扩散的方式，在开坏加热过程中提高加热温度2 0 并延长扩散时间3 0 min，对酸洗过程中产生的腐蚀麻点缺陷有显著的改善作用。关键词：GCr15轴承钢；腐蚀麻点；元素偏析；碳化物带状组织中图分类号：TF762.4Abstract:Bearing steel as a raw material for processing balls,rollers,and bearing rings,plays a crucial role in mechanical equipment,trans-portation,aerospace,and other fields.Aiming at the corrosion pitting problem of CCr15 bearing steel produced industrially in a steel plantduring pickling,the microstructure and chemical element distribution of GCr15 bearing steel were analyzed by metallography,scanning elec-tron microscope,electron probe X-ray microanalysis and other experimental methods.The results indicate that there is a dense number of cor-rosion pits at the edges and center of the cross-section of the sample.During the solidification process,C and Cr elements undergo segrega-tion,ultimately forming a relatively straight Cr rich carbide band structure corresponding to the corrosion pit position.It runs through the entiresample longitudinally,and the matrix around the grain boundary forms a Cr poor area.The corrosion resistance of the Cr poor area decreases,which is the main reason for the occurrence of corrosion pits.By using high-temperature diffusion,increasing the heating temperature by 20 Cand extending the diffusion time by 30 minutes during the billet heating process has a significant improvement effect on the corrosion pitting de-fects generated during the pickling process.Key Words:GCr15 bearing steel;corrosion pitting;element segregation;carbide band structure轴承作为各种机械设备中至关重要的零部件，被誉为“高端装备的关节”，面对严苟的服役环境，轴承材料应具有高硬度、耐磨性好、接触疲劳强度高等特点，因此需严格控制其化学成分与碳化物的均匀性、非金属夹杂物的尺寸等 1。目前我国高碳铬轴承钢需求量最大，占轴承钢总消费份额的95%以上 2 1,高碳铬轴承钢的主要钢种为GCr15,合金含量相对较低,具有切削加工性能良好、淬火和回火后硬度高、耐蚀性好等优点，成为制造各种轴承套圈和滚动体的主要材料3 在轴承钢的生产过程中，酸洗工艺是其中的重要环节。某钢铁厂生产的用于制作滚珠的GCr15轴承收稿日期：2 0 2 2-0 7-2 0；修回日期：2 0 2 3-0 6-2 6作者简介：王娇娇（1993 一），女，硕士，助理研究员,研究方向为特殊钢产品开发；通信作者：刘泳（196 9一）,男，高级工程师，研究方向为特殊钢产品开发及工艺优化.INDUSTRIALHEATINGGCr15轴承钢酸洗腐蚀麻点成因分析王娇娇，刘泳，刘宏春，陈红卫，田志强（河钢材料技术研究院，河北石家庄0 50 0 2 3）文献标志码：A文章编号：10 0 2-16 3 9(2 0 2 3)0 6-0 0 7 1-0 3Anaysis on the Causes of Picking Corrosion Pit of GCr15 Bearing SteelWANG Jiaojiao,LIU Yong,LIU Hongchun,CHEN Hongwei,TIAN Zhiqiang(HBIS Materials Technology Research Institute,Shijiazhuang 050023,China)钢,在酸洗工序中出现横截面腐蚀麻点的情况,进而产生表面缺陷。本文针对腐蚀麻点问题进行分析讨论，提出合理的工艺优化建议，为实际生产提供参考。1实验方法将经酸洗后出现腐蚀坑的球化退火态及热处理态轴承钢试样(18mm和 15 mm)分别记为GCr15-1及GCr15-2。将表面出现腐蚀麻点的样品纵向剖开切取试样,试样经镶嵌磨抛后，用体积分数为4%的硝酸酒精进行侵蚀，并在型号为AxioObser ver.Alm的倒置显微镜、AXioImager.M2m正立全自动显微镜上对金相组织进行观察,在型号为UULTRA55场发射扫描电镜进行微观组织观察，利用型号为EPMA17 2 0的电子探针进行元素分析。工業加熟.72.INDUSTRIALHEATING2实验结果2.1低倍组织将酸洗后的热处理态试样横截面进行低倍组织观察,如图1所示。从图1中可以看出热处理态酸洗试样横截面存在腐蚀麻点，并且边部与中心部位麻点密集数量较多。2023年第52 卷第6 期Vol.52No.62023出GCr15-2试样经酸洗后,横截面存在比较深的腐蚀坑,并且试样纵剖面与腐蚀坑相平行的位置，可以观察到明显的条带状组织,带状组织较为平直,沿纵向贯穿整个试样。1000m图2 GCr15-2试样纵剖面低倍组织全貌对GCr15-1和GCr15-2试样的纵剖面进行金相组织观察,如图3 所示。从图3 中可以看出带状区域图1GCr15-2试样的腐蚀麻点2.2金相组织利用正立全自动显微镜拼接成的热处理态试样纵剖面低倍金相组织全貌如图2 所示。从图2 中可以看与基体的腐蚀形态对比较为明显,在带状区域的个别位置出现较深的腐蚀点，试样经酸洗后横截面腐蚀坑的位置与带状组织的位置相对应。500 m(a)GCr15-1(1)2.3SEM组织观察带状组织会使钢铁材料的均匀性降低，进而对材料性能产生影响，尤其是各向异性。为了明确带状组织与腐蚀麻点之间的关系,将侵蚀后的试样进行SEM微观组织观察,如图4所示。从图4中可以看出GCr151试样经球化退火后，在铁素体基体上分布着大量尺寸较小的碳化物颗粒，大部分碳化物呈形状规则的椭圆500m(b)GCr15-1(2)图3 金相照片状,而带状区域的碳化物球化并不相同,呈短棒状,并且相对于其他位置，碳化物的密度较大。GCr15-2试样经淬火+回火后的组织为高碳回火马氏体组织，在带状区域有较多大尺寸短棒状的碳化物析出，密度较高，而在其他区域很少有碳化物析出。通过SEM观察可以看出,两种工艺下的轴承钢均为碳化物贫化带与富化带形成的带状组织,这与John41的研究结果相同。500 m(c)GCr15-2(1)500m(d)GCr15-2(2)Dale:18Aug2021Na-1.0EHT-20.00kVEHT-20.00kWD-9.8mmMag-100 x(a)GCr15-1(1)ral.A-InLensWD-9.8mmTime:9:47:17(b)GCr15-1(2)Date:13ATime:9:51:05图4SEM显微照片202EHT-20.00kVWD-12.4mm(c)GCr15-2(1)SigralA-InLensMag500 xEHT-20.00K1Time:9:34:57WD-12.2mm(d)GCr15-2(2)ralA-lnLensMag-5.00 xDate:18Aug2021Time:9:27:51工業加熟2023年第52 卷第6 期Vol.52No.620232.4电子探针元素分析众学者都对带状组织形成机理进行了研究,有学者认为是元素偏析造成的 5。利用电子探针对GCr15-2热处理态试样进行元素分析，如图5所示。从图5中可以看出与腐蚀麻点相平行的碳化物带状组织区域，C、C r、M n 元素存在偏析富集。1150um(a)组织形貌45004000F3500数3 0 0 062000150010005000.03分析讨论本文中GCr15轴承钢的C含量为0.9 5%1.01%,Cr含量为1.4%1.5%,在凝固末期存在C、Cr元素偏析,形成大尺寸碳化物,这些碳化物保留在线材中,最终表现为微观组织中的碳化物带状。对产生腐蚀麻点的样品进行金相、扫描、电子探针等分析，表明C、C r 元素偏析是腐蚀麻点产生的直接原因。有研究结果表明,C、C r 元素在凝固过程中具有向晶界偏析的特点,从而在晶界上沉淀析出富Cr的碳化物，而晶界周围的基体形成贫 Cr区,在贫 Cr区域抗腐蚀能力下降,形成酸腐蚀麻点 7 。为了降低碳化物带状组织中C与Cr元素的偏析程度,提高轴承钢的抗腐蚀能力,有学者均采用高温扩散的方法 6 。将本文中所用的CCr15轴承钢样品，同样采用提高扩散温度，延长扩散时间的方式，进行改善，在热处理工艺过程中提高开坏加热温度2 0 并且延长扩散时间3 0 min。经过工艺调整之后,GCr15-2样品的酸洗腐蚀情况如图6 所示，可以看出在试样的边部与中心部位腐蚀麻点情况均得到了明显的改善。73INDUSTRIALHEATINGGCr15轴承钢中的Cr元素含量较高,在凝固过程中会生成共晶碳化物，并且由于加热温度以及扩散时间的限制，未能使Cr元素及碳化物充分均匀化，在后续的轧制工序中形成带状组织并产生元素偏析 6 ，最终形成富Cr的碳化物带状组织。40.000r35000F30000F数2 50 0 0 F20 000f吉150 0 0 F100005.000mul00.0SEX100H7006506005505004504003503000.20.4距离/um(c)Cr元素分布图5CCr15-2的电子探针分析4 结 论(1)某钢厂生产的GCr15轴承钢在凝固末期C、C r元素偏析,形成大尺寸富Cr的碳化物带状组织。图6 高温扩散试样的腐蚀麻点(2)C、C r 元素具有向晶界偏析的特点,在晶界上沉淀析出富Cr的碳化物，而晶界周围的基体形成贫Cr区,贫Cr区域抗腐蚀能力下降,在酸洗过程中出现腐蚀麻点。（3）采用高温扩散的方法，提高开坏加热温度2 0 并且延长扩散时间3 0 min，经过工艺调整后试样的边部与中心位置的腐蚀麻点得到明显改善。（下转至第7 6 页）0.2(b)C元素分布0.60.80.4距离/um1.00.00.60.20.4距离/um(d)Mn元素分布0.80.60.81.01.0工業加熟.76.INDUSTRIALHEATING3开口调节装置的主要特点（1)导向块使用等静压石墨制作，等静压石墨是指采用等静压成型方式生产的石墨材料，等静压成型是将待压物料经过密封后放置于高压容器中，利用液体介质不可压缩的性质和均匀传递压力的性质从各个方向对物料进行均匀加压。等静压石墨具有高强度、高密度、高纯度、化学稳定性高、结构致密均匀、耐高温、耐辐照、导电率高、耐磨性好、自润滑、易加工等特点，广泛用于冶金、化工、航天、电子、机械、核能等工业领域。尤其是大规格高质量的特种石墨，作为替代材料，在高科技、新科技领域有着宽广的应用空间,具有广泛的应用前景。使用此材料可防止碳丝接触导向块时起毛，同时使导向块上下距离调节到最小，使氮气使用量最小。导向块上开有两侧对称的长腰孔，可有效解决连接板（材料为3 0 4不锈钢）与导向块（材料为等静压石墨）之间热膨胀量不一致的问题，这样可以使气封内温度达到40 0 以上。同时使用压紧弹簧组件把导向块与连接板联结在一起，既保证两者使用时同步性，又能解决两者膨胀量不同时摩擦力太大的问题。（2）在连接板端部安装有导向板，可防止碳丝在穿丝时下垂接触到连接板及其附件，使碳丝穿丝时得到防护，防止其起毛。导向板与连接板都使用3 0 4不锈钢，既可保证两个零件受热时膨胀量一致，又能防止其工作时变形。导向板采用“V”型折弯结构，可增加其刚度,以保证与碳丝接触面的平面度。导向板两侧可使用端板密封，此时可通入常温压2023年第52 卷第6 期Vol.52No.62023缩空气对导向板进行降温，防止工人穿丝时误接触导向板造成烫伤。4应用与结论上述设计的开口调节装置已投入加工，并在相关生产线上进行了使用，使用此结构调整气封开度大小，与原结构相比减轻了工人劳动强度,提高了调整效率，为生产线提速增产提供了方便。参考文献1贺福.碳纤维及石墨纤维M.北京：化学工业出版社,2 0 10.2贺福，李润民.生产碳纤维的关键设备一碳化炉 J.高科技纤维与应用,2 0 0 6,3 1（4)：16-2 4.3王文胜,孙海英,张贵，等.高温碳化温度对碳纤维性能的影响 J.化工科技,2 0 14,2 2（6)：12-13.【4李军，丁月里,邹健.如何减少碳纤维碳化过程中氧和水汽对石墨和碳纤维的氧化 J.化工管理,2 0 17(5）：2 6 1-2 6 25吴宗泽，刘莹机械设计教程 M北京：机械工业出版社,2 0 0 3.6王秉铨.工业炉设计手册M.北京：机械工业出版社,19 9 6.7傅建根，韩宝灯，周龙海，等一种气体密封装置：中国，210566258UP.2020-05-19.8刘永华.一种可连续使用的高温炭化炉动密封机构：中国，210030981UP.2020-02-07.9林刚,张永福,乔荫春,等.一种规模化生产碳纤维的高温碳化炉：中国10 2 7 58 2 7 1AP.2012-10-31.10许东,刘维鹏,张鹏，等.一种炭化炉的气体密封装置：中国10 2 43 3 6 13 AP.2012-05-02.11】黄晓晴.低温碳化炉炉头氮气密封装置：中国，10 8 0 8 57 8 9A P.2018-05-29.(上接第7 3 页)参考文献1杨洪波,马宝国,朱伏先，等.周期球化退火对GCr15轴承钢组织及力学性能的影响 J.金属热处理,2 0 0 9,3 4（1：33-36.2我国轴承钢系列的特性、用途及代表钢种 J河北冶金，2016(12):67.3邹湘军,娄燕,欧阳八生，,等CCr15钢激光淬火及其应用 J：金属热处理,2 0 0 4,2 9（5）：15-17.4何肖飞，曹燕光，王毛球，等.轧制工艺对2 2 CrMo钢带状组织的影响 J.金属热处理,2 0 18,43（4）：13 4-13 9.5张迎晖,赖泓州,赵鸿金.钢中带状组织的研究现状 J.轧钢,2 0 14,3 1(3):45-47.6 JOHN D 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