郭立波 周伟基 高惠菊
（东北特殊钢集团，大连 116105）
1 前言
轴承钢主要用来制造滚动轴承,如滚珠、滚针和轴承套圈等制品，近期，我公司生产的轴承钢C&U1 等钢种低倍检验时出现批量黑心问题，近期连续3 个月统计的合格率分别为86.35%、77.82%、83.21%，低于公司要求(连续3 个月按生产数量统计的合格率应为90%以上)，严重影响我公司轴承钢生产的质量，为查清黑心问题产生的原因，现对出现黑心的炉号进行取样分析，分别取了退火态和热轧态缺陷样品，从化学成分、金相组织、微区成分等方面做对比分析。
2 生产工艺
C&U1 生产工艺流程为转炉/电炉→钢包精炼炉精炼（110 t LF 炉）→真90%空脱气（RH 炉）→模铸4.2 t 钢锭→开坯→缓冷→磁粉探伤→点磨→轧线材→酸洗→退火→检验。
3 理化检验
3.1 化学成分分析
从C&U1 钢棒上切取横向试样，使用CS230 型红外碳硫仪和ARL4460 型直读光谱仪分析其化学成分，结果见表1。
表1 C&U1钢化学成分分析结果（质量分数） %
由表1 可知，试样化学成分符合标准要求。
3.2 理化检验
轴承钢C&U1 的中心黑心缺陷如图1 所示,在尺寸Φ4.5～Φ12.5 mm 退火线材产品做低倍出厂检验时发现,试样在低倍酸洗后中心位置呈现2～6 mm 的圆形黑点,有的黑点面达到了横截面的3/4，即为黑面。统计发现，所有的中心黑心或黑面缺陷均出现在钢锭的头部(近帽口端)。
图1 退火态黑心、黑面缺陷试样
3.2.1 退火材金相检验
取横向黑心试样，4%的硝酸酒精溶液腐蚀后观察，金相组织如图2 所示。黑心在显微镜下为一些不连续的蜂窝状腐蚀孔洞,孔洞由中心向四周扩展，中心位置比较聚集,试样边缘区域没有孔洞。腐蚀孔洞较浅，深磨后腐蚀孔消失，心部与边部都为球状珠光体组织，如图2a、图2b 所示。
图2 退火态试样金相组织
取纵向试样，4%的硝酸酒精溶液腐蚀后观察，心部可见清晰的暗色条带，端部可见横向腐蚀孔洞深度，边部组织较均匀，无偏析条带，如图2c～图2f 所示。
3.2.2 退火材扫描电镜及能谱分析
扫描电镜下微观形貌如图3 所示，能谱分析位置如图4所示，成分分析结果见表2～表3。
图3 退火态横、纵向试样电镜下微观形貌
图4 退火态腐蚀坑内外能谱分析位置
表2 腐蚀坑内能谱分析成分结果%
表3 腐蚀坑外能谱分析成分结果%
横向试样中心处黑心部分为近似圆形的腐蚀孔洞，孔洞深浅不一，如图3a、图3b 所示。纵向试样心部可见细长条带，条带内分布大量颗粒物，如图2c～图2f 所示。通过能谱对条带内外成分分析，分析位置如图4a、图4b所示，条带内C、Cr含量高于基体，存在C、Cr 偏析，条带内聚集颗粒物经能谱分析为Cr的碳化物，成分见表2。因此,低倍下试样中心呈现出的黑点区域，初步判断源于铸锭过程,钢锭帽口端的碳、铬等元素的偏聚形成的碳化物聚集，腐蚀后碳化物脱落，留下圆形的孔洞，表现为黑心形貌。
3.2.3 热轧材低倍检验分析
为了查找黑心产生的原因，验证是否是原始钢锭遗传的结果，又取了热轧材样品做分析。
取线材热轧态试样低倍酸洗，心部也存在黑心，沿心部纵向抛开后酸洗，纵向试样心部存在一条明显的黑线。如图5 所示。
图5 热轧态黑心、黑面缺陷试样
3.2.4 热轧材金相检验
热轧态试样金相检验结果如图6 所示，心部存在同退火态类似的腐蚀坑。心部组织和边部组织均为珠光体+渗碳体，但心部渗碳体网较边部渗碳体网密集。
图6 热轧态试样金相组织
3.2.5 扫描电镜能谱分析
对纵向酸浸试样扫描电镜观察，纵向试样心部存在黑色条带为腐蚀沟，条带处成分能谱分析，同样存在C、Cr 元素的偏析，成分见表4，条带内可见颗粒状碳化物存在，如图7 所示。
图7 热轧态纵向试样电镜下微观形貌
表4 能谱分析结果%
综上分析，轧材和退火材都存在元素偏析，表现出黑心形貌。
4 生产工艺调查
4.1 炼钢模铸过程
通过对模铸轴承钢盘条浇注过程调查，从流程数据看，仅2 炉过热度偏高，分别是51 ℃和53 ℃（工艺要求45～50 ℃）。引流量、铸余量全部符合工艺要求（引流量≥1.0 t,余量≥1.0 t）。对轴承钢生产过程跟踪调查，除轴承钢冶炼用发热剂发生变更外，其它未见异常。
4.2 轧制过程
针对轴承钢偏析表现出的黑心问题，对轧制开坯过程开展串轧试验（过程控温），过程开成品坯料尺寸为230 mm×230 mm，待温3～5 min，再开成品坯料尺寸为180 mm×180 mm；开坯终轧温度900～950 ℃，帽口切除量≥1.9 m。跟踪开坯炉次钢坯按Φ4.0 mm 平底孔探伤全部合格，说明开坯过程无坯料心部过热、钢锭帽口切除干净。由跟踪结果可以看出，偏析的产生与轧制过程无关。
5 发热剂实际成分比较
根据前期调查结果，排除轧制原因产生缺陷，针对冶炼过程调查中发现的问题，发热剂发生了变化，因此利用化学湿法和ICP 仪器法，对更换前后发热剂成分分析，分析结果如表5 所示。
表5 721发热剂化学成分分析结果(质量分数)%
从表5 可以得出如下结论。
a.酸溶硅主要以硅铁形式存在，经换算博力特硅铁配入约9%，抚顺望花硅铁配入约66%；
b.硝酸钠博力特配入约13%，抚顺约14%；
c.通过分析碳含量，博力特配入约53%的含碳物质（有部分石灰石配入），抚顺望花几乎没有。
通过以上分析可见，两种发热剂成分不同，因此其发热效果和性能也不尽相同。
6 分析与讨论
由检验结果发现，黑心处存在C、Cr 的偏析，即为碳化物偏析，纵向为条带状，横向为点状，通过过程调查，更换的发热剂保温不良造成了元素偏析，偏析处经过酸侵蚀后表现出黑心形貌。
轴承钢中的碳化物偏析有一次碳化物偏析和二次碳化物偏析，一次碳化物偏析即通常所说的液析，从黑心处碳化物的形貌和化学成分结果分析，黑心处偏析的碳化物为二次碳化物偏析，即通常所说的带状碳化物。
在固溶体合金中，后凝固的晶体与先凝固的晶体成分会不同，在合金中，各个树枝状晶体之间最后凝固的部分，通常属于低熔点组成物和杂质，它们与晶体本身的成分不同，这两种情况都属于晶体间的成分不均匀现象，即晶间偏析。在钢中，碳、磷、硫、氮、镍、铬等元素都具有强烈的偏析倾向，尤其以碳、磷、硫偏析倾向最大。碳化物偏析就是一种晶间偏析，当热加工时，这种粗大的碳化物被击碎，并循加工方向变形而成为不连续的带状碳化物分布于钢的基体中，会使钢的横纵向性能发生差异，特别是横向塑性强烈降低，在钢的后续加工和使用过程中，还可能导致其它缺陷的形成，因此应避免和减弱这种偏析[1]。
轴承钢中的带状碳化物是由钢液的成分偏析引起，在显微组织中为带状分布。模铸钢锭凝固为锭身钢液先凝固，冒口处的钢液后凝固。在锭身凝固的过程中，还需要一定的补充钢液。理想的状态要求冒口中的钢液保持较好的流动性，若冒口处的钢液已经凝固冷却，则不能起到冒口钢液的补缩作用，易造成钢锭本体内出现缩孔和疏松、偏析等缺陷[2]。
发热剂主要是通过易氧化元素的燃烧，释放热量，补偿冒口的热散失，同时也补偿钢水热量。在锭身凝固收缩时，发热剂能保持冒口钢液的流动性，减少钢液热散失或对冒口部位热散失进行补偿，从而减轻冒口处凝固时产生偏析、疏松等冶金缺陷。如果发热剂性能不好，无法补充钢水热量，那么在钢液凝固时就会产生偏析等缺陷[3]。通过对生产过程调查，本阶段出现黑心的钢是由于使用了721 发热剂保温不佳出现了偏析，后期紧急换了其它厂家的721 发热剂后，未出现黑心、黑面现象。
7 结束语
针对模铸轴承钢黑心缺陷，选退火材及热轧材分别取样分析，确定黑心缺陷是钢锭头部冒口附近C、Cr 偏聚形成的碳化物被腐蚀掉的形貌，经现场调查后确认，造成此缺陷的原因是更换了发热剂，造成冒口保温不好形成了偏析，减少碳化物和合金元素偏析是预防黑心缺陷的关键措施，选用合适的发热剂，保证冒口钢液的补缩能有效控制此类偏析的产生。
