• 徐尚呈,
• 刘光辉,
• 周杨

• 大冶特殊钢有限公司 研究院，黄石 435001

裂纹是钢材表面较为常见的一种缺陷，通常产生于铸坯、轧（锻）制、热处理等工艺过程中。目前，通常采用金相检验方法观察裂纹附近的脱碳和氧化物圆点，可以判断裂纹是连铸坯固有的，还是在轧制工序产生的。

行业中对氧化物圆点产生的工序一直存在较大的争议。祝桂合等[1]研究了低合金钢板氧化物圆点的形成条件，认为钢板在轧制过程中产生裂纹，由于其所处高温环境的时间较短，因此不能满足氧化物圆点的形成条件。然而美国钢铁协会认为氧化物圆点可在连铸结晶器到热轧初轧之间的任意位置产生。可见，氧化物圆点的形成机制及其对应的钢种特点有待进一步研究。笔者通过加热氧化模拟试验，对轴承钢表面裂纹在高温条件下的氧化行为进行了研究及讨论。

1. 试验材料与方法

试验用GCr15轴承钢的生产工艺为：120 t转炉→LF （钢包炉）+真空脱气装置（RH）精炼→连铸240 mm×240 mm（长度×宽度）方坯→机组成材→球化退火→车削，成材直径为35 mm。该钢中C元素质量分数为0.99%、Si元素质量分数为0.29%、Cr元素质量分数为1.48%、Mn元素质量分数为0.40%、P元素质量分数为0.006%、S元素质量分数为0.002%。GCr15轴承钢的原始组织为球化珠光体，表面脱碳层厚度为0 mm。

采用精密切割机将试验用GCr15钢切割成高度为15 mm的圆柱试样。在试样表面通过线切割的方式预制深度约为3 mm的缝隙，模拟裂纹。采用箱式炉进行热处理试验，主要热处理工艺为：分别在500，550，600，650，700，750，800，850，900，950，1 000，1 050，1 100，1 150 ℃温度下保温10 min后，对试样进行空冷。

试验结束后，将热处理试样制成金相试样，采用光学显微镜、场发射扫描电镜（SEM）观察试样的脱碳及氧化形貌。

2. 试验结果与讨论

2.1 不同保温温度下的脱碳变化

不同保温温度下各试样的脱碳微观形貌如图1所示。由图1可知：在不大于800 ℃温度下短时间加热试样，预制裂纹处的脱碳现象不明显；在850 ℃加热保温后，裂纹处开始出现脱碳现象，随着加热温度的升高，裂纹处的脱碳层深度越深。

图 1不同保温温度下各试样的脱碳微观形貌

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2.2 不同保温温度下的裂纹氧化特征变化

经过不同温度保温并空冷后，各试样的氧化特征微观形貌如图2所示。由图2可知：在不大于800 ℃加热保温后，预制裂纹处的氧化特征不明显；在800 ℃加热保温后，裂纹处开始出现明显氧化层；在850 ℃加热保温后，裂纹处开始出现龟背纹轮廓，随着加热温度的升高，裂纹处的氧化层越厚；在1 100 ℃加热保温后，裂纹处除有明显氧化层外，钢材基体内开始出现明显的氧化物圆点。说明温度越高，氧化物圆点颗粒尺寸及密度越大。

图 2不同保温温度下各试样的氧化特征微观形貌

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2.3 讨论

在加热过程中，钢中的碳元素与O2、CO2、H2O等气体发生化学反应。脱碳的过程分为两个阶段：碳化物的氧化与扩散。钢表面的碳元素发生氧化，碳元素含量降低，引起表面和内部碳元素含量存在差异，使碳元素从内部向表面扩散。钢的加热温度越高，原子热运动就越剧烈，原子的扩散速率就越大，脱碳的趋势就越大[2]。

钢材的氧化机制是：钢中的铁元素与O2、CO2和水蒸气等发生反应，造成钢的表面氧化，即钢在氧化性气氛中加热，钢材的表面将产生氧化层；在试样加热的过程中，裂纹表面首先被氧化，生成FeO，随着温度的升高，FeO层的厚度不断增大，同时有少量FeO被氧化成 Fe3O4；当温度超过900 ℃时，氧化层中的FeO减少，Fe3O4增多，同时生成Fe2O3。

加热温度、加热时间与碳钢氧化烧损量之间具有一定的函数关系，可用以下经验公式表示

式中：a为氧化烧损量；τ为加热时间；T为钢的表面热力学温度。

氧化铁皮是高温氧化产物，氧化铁皮的厚度服从抛物线氧化定律[3]。因此，在钢材的加热过程中，脱碳与氧化是并存的，只有在脱碳速率超过氧化速率的情况下才能形成脱碳。当氧化速率很大时,不会发生明显的脱碳现象，即脱碳层产生后被氧化成氧化铁皮。因此，在氧化作用相对较弱的气氛中，材料会形成较深的脱碳层。

随着温度的不断升高，氧元素会穿透裂纹表面的氧化铁皮和脱碳层，并向基体内部渗透，亲氧元素Si、Mn和Fe等将被氧化，从而在裂纹周围形成弥散的氧化物圆点。根据热力学原理，计算分析钢中主要合金元素Si、Cr、Ni、Mn及基体铁的先后氧化顺序。当温度为1 100 ℃时，SiO2、MnO、Cr2O3、Mn3O4、FeO、Fe2O3、Fe3O4、NiO的吉布斯自由能ΔG依次增大，ΔG的值越小，表示该金属的氧化物越稳定。可见在高温下，各元素与氧元素的反应能力从大到小依次为Si、Mn、Cr、Fe、Ni元素[4]。

在短时间内，试样裂纹周围要形成氧化物圆点，试样所处的温度必须达到1 100 ℃及以上，只有这样，氧原子才能获得足够的激活能并在钢中发生扩散运动；温度越高，氧原子扩散迁移所用的时间也越短，越容易在短时间内形成氧化物圆点；距离试样表面越近，氧原子的质量分数也就越大，相应地，形成氧化物圆点的数量也就越多。

在特殊钢的实际生产过程中，加热温度一般在1 200 ℃左右，初轧温度一般在1 100 ℃左右。在初轧及以前工序，如果钢坯表面出现裂纹，均可导致最终的钢材表面裂纹处出现氧化物圆点，因此不能完全依据裂纹处是否有氧化物圆点来判断钢材中的缺陷是坯料缺陷还是轧制缺陷。

3. 结语

（1） 在正常氧化气氛下，850 ℃加热、保温10 min后，GCr15轴承钢即可出现脱碳现象，随着加热温度的升高，脱碳层深度越深；800 ℃加热、保温10 min后，钢材开始出现明显氧化层，随着加热温度的升高，裂纹处的氧化层越厚。

（2） GCr15轴承钢预制裂纹试验显示，在1 100 ℃加热、保温10 min后，裂缝两侧的钢材基体内开始出现明显的氧化物圆点，温度越高，氧化物圆点颗粒的尺寸及密度越大。

（3） 不能将裂纹附近的氧化物圆点作为判断钢材中缺陷是坯料缺陷还是轧制缺陷的唯一依据，只可作为判断裂纹是高温还是中低温阶段产生的依据。