77MnCr鋼絲筆尖狀斷口形態(tài)的分析

田慶榮，劉瑩

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，天津300301）

77MnCr鋼絲筆尖狀斷口形態(tài)的分析

田慶榮，劉瑩

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，天津300301）

某預(yù)應(yīng)力鋼絲生產(chǎn)廠在使用Φ12.5mm的77MnCr盤條生產(chǎn)Φ7.0mm的螺旋肋預(yù)應(yīng)力鋼絲時(shí)，常在拉拔過(guò)程中發(fā)生斷線的現(xiàn)象。針對(duì)該問(wèn)題，利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡和能譜儀對(duì)77MnCr盤條在冷拉拔過(guò)程中產(chǎn)生筆尖狀斷口的斷裂試樣進(jìn)行了系統(tǒng)檢測(cè)和分析。檢驗(yàn)結(jié)果表明，試樣中心部位存在的“V”形裂紋是造成盤條在拉拔過(guò)程中產(chǎn)生斷裂的裂紋源。經(jīng)分析得出V形裂紋的形成與盤條心部存在的網(wǎng)狀滲碳體有關(guān)，而網(wǎng)狀滲碳體的產(chǎn)生與連鑄坯中心偏析，尤其是碳偏析和盤條軋制過(guò)程中的冷卻速度有著十分緊密的關(guān)系。

77MnCr盤條筆尖狀斷口網(wǎng)狀滲碳體中心碳偏析

1 引言

某預(yù)應(yīng)力鋼絲生產(chǎn)廠在使用Φ12.5mm的77Mn－Cr盤條生產(chǎn)Φ7.0mm的螺旋肋預(yù)應(yīng)力鋼絲時(shí)，常在拉拔過(guò)程中發(fā)生斷線的現(xiàn)象，降低了生產(chǎn)節(jié)奏，給廠家的生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益帶來(lái)很大的影響。根據(jù)檢查發(fā)現(xiàn)，在產(chǎn)生拉拔斷線的斷口形態(tài)中以筆尖狀斷口形貌最為普遍。因此我們對(duì)發(fā)生斷裂的鋼絲過(guò)程線進(jìn)行系統(tǒng)分析，找出筆尖轉(zhuǎn)斷口形態(tài)的形成機(jī)理，為提高產(chǎn)品質(zhì)量提供改進(jìn)措施。

2 檢驗(yàn)與分析

2.1 斷口宏觀檢驗(yàn)

產(chǎn)生拉拔斷裂的鋼絲斷口形貌為筆尖狀形態(tài)，即斷口的一端為錐體，像一個(gè)筆尖，另一端為錐孔呈凹陷狀（如圖1所示）。筆尖的尖頭位置基本上是處于鋼絲的中心部位。這種斷口沒(méi)明顯的有放射區(qū)，整個(gè)錐面都屬于剪切唇。

2.2 化學(xué)成分檢驗(yàn)

取拉拔斷裂試樣進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果示該試樣的碳含量為0.81%，已經(jīng)超過(guò)了共析點(diǎn)成分，達(dá)到了過(guò)共析鋼的成分范圍。其他元素的含量分別為Si:0.23%，Mn:0.68%，Cr:0.30%，P:0.015%，S:0.016%。

2.3 金相組織檢驗(yàn)

把筆尖狀斷口試樣沿縱向截面剖開，經(jīng)磨拋后在試樣中心部位可以看到一串的V形裂紋，如圖2（a）所示。試樣經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕后，我們看到筆尖所處的試樣中心區(qū)域存在一條偏析帶，而且V形裂紋正位于偏析帶上，如圖2（b）所示，試樣經(jīng)放大后觀察V形裂紋處存在網(wǎng)狀滲碳體組織，如圖2（c）所示。

圖1 筆尖斷口宏觀形貌

切取錐孔附近的橫截面試樣，經(jīng)磨拋、腐蝕后觀測(cè)，其金相組織為索氏體+珠光體+網(wǎng)狀滲碳體。在試樣心部存在裂紋，網(wǎng)狀滲碳體出現(xiàn)在心部裂紋附近（如圖3所示）。用掃描電鏡對(duì)試樣做進(jìn)一步觀察，在試樣心部區(qū)域除有網(wǎng)狀滲碳體之外，還存在晶界微裂紋（如圖4所示）。

2.4 能譜檢驗(yàn)

利用能譜儀對(duì)試樣心部的偏析帶和正常部位分別進(jìn)行多次定量分析，歸一化結(jié)果平均計(jì)算后的數(shù)據(jù)列于表1。能譜計(jì)算結(jié)果顯示出試樣心部存在成分偏析，該區(qū)域的C、Si、Mn、Cr等元素的相對(duì)含量均高于試樣其他部位，有較為明顯的碳偏析現(xiàn)象。

圖2 縱向截面上V形裂紋、偏析和網(wǎng)狀滲碳體

表1 能譜分析結(jié)果

圖3 裂紋處金相組織

圖4 試樣心部網(wǎng)狀滲碳體和晶界裂紋

2.5 斷口形態(tài)分析

對(duì)以上檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，我們認(rèn)為由于盤條心部存在網(wǎng)狀滲碳體組織，而該組織的塑性變形能力幾乎為零，因此盤條在拉拔過(guò)程中首先是在心部網(wǎng)狀滲碳體處產(chǎn)生了微裂紋，隨著拉拔的繼續(xù)和變形量的增加，微裂紋沿V字形發(fā)生擴(kuò)展直至斷裂。盤條心部網(wǎng)狀滲碳體組織的形成與連鑄坯中心偏析，尤其是中心碳偏析和盤條軋制過(guò)程中的冷卻速度有著緊密的關(guān)系。

連鑄坯的中心偏析是指鋼水在冷卻凝固過(guò)程中，溶質(zhì)元素在固液兩相中重新分配，因鑄坯中元素分布的不均勻，使得C、S、P等元素在連鑄坯心部的含量明顯高于其他部位[1-6]。“凝固晶橋”便是鑄坯中心偏析形成的原理之一，即鋼液在凝固過(guò)程中因柱狀晶生長(zhǎng)不規(guī)則，使得鑄坯兩面生長(zhǎng)快的柱狀晶相遇時(shí)產(chǎn)生“搭橋”，晶橋上的鋼液因橋的阻隔不能及時(shí)地對(duì)晶橋下面鋼液因凝固收縮產(chǎn)生的空隙進(jìn)行補(bǔ)充，存在在柱狀晶間的鋼液向鑄坯中心流動(dòng)。由于鋼液中含有富集的溶質(zhì)元素，從而就形成了中心偏析。其原理二是空穴效應(yīng)。所謂空穴，即鋼坯凝固時(shí)若表面形成鼓肚，則在鑄坯心部就會(huì)形成空穴；或者是鋼液凝固后期，由于凝固收縮而形成的。這些空穴使得鑄坯中心產(chǎn)生強(qiáng)大的抽吸力，將凝固末端的鋼液吸入，因鋼液中含有富集了的溶質(zhì)元素，導(dǎo)致中心偏析的形成。原理三是鋼液中易偏析溶質(zhì)元素含量過(guò)高，在鑄坯從外向里結(jié)晶過(guò)程中，這些易偏析元素如C、S、P等以柱狀晶粒的形式析出，進(jìn)入到尚未凝固鋼水當(dāng)中，在鋼液繼續(xù)凝固的過(guò)程中，它們?cè)谀棠┒藚^(qū)域或鑄坯中心富集，形成了中心偏析[1，6]。

從試樣的化學(xué)成分和表1試樣能譜檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，盤條中心區(qū)域存在明顯的碳偏析，碳含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了共析點(diǎn)的成分。根據(jù)鐵—碳平衡相圖，盤條軋制冷卻過(guò)程中，當(dāng)奧氏體緩慢冷卻到稍低于Acm線時(shí)，沿奧氏體晶界析出二次滲碳體，到達(dá)A1時(shí)奧氏體通過(guò)共析分解轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w[2]。由于在77MnCr盤條中心區(qū)域存在嚴(yán)重的碳正偏析，加上冷卻緩慢，二次滲碳體先于珠光體沿奧氏體晶界析出，聚集長(zhǎng)大，是形成網(wǎng)狀碳化物的主要原因。網(wǎng)狀滲碳體具有分割晶粒的作用，它的存在削弱了晶粒間的結(jié)合力，且網(wǎng)狀滲碳體本身的塑性變形很差，在外力作用下不能和基體組織同步變形，首先在網(wǎng)狀滲碳體組織的邊緣上形成微裂紋，使得變形無(wú)法得以繼續(xù)進(jìn)行，隨著外力作用的不斷增加，裂紋逐步擴(kuò)展直至斷裂。

對(duì)于含有網(wǎng)狀滲碳體組織的盤條，在拉拔過(guò)程中，變形區(qū)鋼絲受拉拔應(yīng)力和拉絲模壓應(yīng)力的作用沿縱向流動(dòng)，當(dāng)變形遇到網(wǎng)狀滲碳體時(shí)連續(xù)性受破壞，由于組織之間的變形不同步，變形不能深入到鋼絲心部，在變形金屬和尚未變形金屬的交匯處產(chǎn)生了一個(gè)附加的拉應(yīng)力[3]。所以，在盤條拉拔過(guò)程中，當(dāng)附加的拉應(yīng)力與拉拔應(yīng)力之和大于鋼絲中心部位強(qiáng)度時(shí)，在鋼絲心部產(chǎn)生裂紋源，隨著盤條拉拔過(guò)程中變形量的持續(xù)增加，裂紋呈V字形逐漸擴(kuò)展，最終形成筆尖狀斷口。

3 預(yù)防措施

為了消除77MnCr盤條中網(wǎng)狀碳化物組織，改善盤條拉拔的質(zhì)量，首先要改善連鑄坯的中心偏析。依照中心偏析的形成原因分析，在澆鑄過(guò)程中可采用一些工藝措施來(lái)提高鑄坯質(zhì)量，如減少鋼液中S、P等易偏析元素的含量，促進(jìn)連鑄坯中心區(qū)域形成的凝固組織等軸晶化，減小鑄坯的鼓肚量，也就減小了鑄坯中心區(qū)域偏析的產(chǎn)生。

3.1 降低鋼水澆鑄溫度、控制拉坯速度

鋼液在澆鑄過(guò)程中的澆鑄溫度對(duì)于鑄坯凝固中等軸晶的形核以及長(zhǎng)大起著關(guān)鍵的作用，按照“自由晶”理論，鋼液在靠近液相線溫度時(shí)，因過(guò)冷度較大，在低過(guò)熱度區(qū)內(nèi)能夠生成大量的晶核，而等軸晶的生長(zhǎng)可以阻止鑄坯中柱狀晶的發(fā)展[4]。而過(guò)高的澆鑄溫度和過(guò)大的拉坯速度，都會(huì)造成鑄坯柱狀晶發(fā)達(dá)，過(guò)大的拉坯速度還會(huì)使鑄坯鼓肚的危險(xiǎn)系數(shù)增大，鑄坯產(chǎn)生中心偏析幾率大。因此應(yīng)盡可能采用低澆鑄溫度，抑制柱狀晶生長(zhǎng)。在不影響產(chǎn)量的前提下，拉坯速度不宜過(guò)大，減小鑄坯鼓肚產(chǎn)生，以利降低鑄坯中心偏析。

3.2 采用電磁攪拌技術(shù)

電磁攪拌可以提高鑄坯斷面上的等軸晶率。它的作用是破壞鋼液凝固組織中以形成的粗大柱狀晶，細(xì)化晶粒，改善鑄坯中心部位碳成分和硫化物等夾雜分布不均的特點(diǎn)，減緩中心偏析。

3.3 控制鑄坯鼓肚量

控制鑄坯鼓肚量，可以有效減緩中心偏析，在生產(chǎn)中對(duì)二冷區(qū)夾輥?lái)殗?yán)格對(duì)弧。

3.4 采用輕壓下技術(shù)

在鑄坯凝固過(guò)程中利用輕壓下的技術(shù)，不僅可以減小或者消除鑄坯內(nèi)部因凝固收縮形成的空隙，阻止枝晶間的鋼液向鑄坯中心區(qū)域橫向流動(dòng)。而此時(shí)的鋼液因含有富集的溶質(zhì)元素，它向鑄坯中心流動(dòng)會(huì)增大中心偏析。利用輕壓下技術(shù)還可促使鑄坯液芯中心的鋼液沿拉坯反方向流動(dòng)，重新分配鋼液中的溶質(zhì)元素，使連鑄坯的凝固組織十分細(xì)密，從而起到了改善鑄坯中心偏析的目的。

3.5 優(yōu)化二次冷卻技術(shù)

二次冷卻技術(shù)對(duì)于鑄坯內(nèi)部質(zhì)量來(lái)說(shuō)起著十分重要的作用，鑄坯中心偏析等缺陷的形成與之有著密切的關(guān)系。二冷的比水量和其在二冷各區(qū)的分配比對(duì)鑄坯的內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵工藝參數(shù)。根據(jù)鋼種的不同，在澆鑄前選用正確的二次冷卻制度，合理分配好二冷的比水量和分配比可降低鑄坯中心的碳偏析，從而提高連鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量。

3.6 提高鋼水的純凈度

由于鋼中碳含量與鑄坯凝固組織的關(guān)系較為密切，對(duì)柱狀晶與等軸晶的生長(zhǎng)比率產(chǎn)生影響。有資料表明，對(duì)碳含量ω（C）為0.1%、0.3%和0.6%的一種鋼，在其他工藝條件都相同的狀態(tài)下進(jìn)行澆鋼，其柱狀晶生長(zhǎng)的長(zhǎng)度、中心疏松空穴和中心偏析的寬度按碳含量ω（C）為0.3%、0.1%和0.6%的順序依次遞增[1，5]。所以在煉鋼生產(chǎn)過(guò)程中必須提高對(duì)碳元素命中率，鋼液中的碳含量才能夠得到準(zhǔn)確地控制。

再有磷和硫均是屬于易偏析的元素，在連鑄坯中心偏析的形成上，它們?cè)阡撍械姆植夹螒B(tài)和含量都起著十分顯著的影響。如果有效地使用鐵水預(yù)處理技術(shù)、或是使用鋼包脫硫等生產(chǎn)技術(shù)工藝，有效地降低鋼液中磷、硫等元素的含量，使得鋼水的純凈度得到提高，可有效地阻止鑄坯中心偏析的形成。

3.7 提高盤條軋制后的冷卻速度

連鑄坯在高線軋制時(shí)，如果終軋溫度過(guò)高，控冷過(guò)程冷速較慢，二次滲碳體將先在晶界上析出、長(zhǎng)大，最終轉(zhuǎn)化成網(wǎng)狀滲碳體。提高控冷速度抑制滲碳體沿晶界析出，使盤條按共析點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，杜絕不利于拉拔的組織產(chǎn)生。

4 結(jié)論

造成77MnCr盤條在拉拔過(guò)程中產(chǎn)生筆尖狀斷口的主要原因是盤條中心部位存在網(wǎng)狀滲碳體組織。由于網(wǎng)狀滲碳體的塑性變形很差，在拉拔過(guò)程中難以承受較大的變形，因此在網(wǎng)狀滲碳體的晶界處形成微裂紋源，隨著拉拔過(guò)程的繼續(xù)變形量增加，裂紋沿V形擴(kuò)展，斷裂后呈筆尖狀特征。

為了提高盤條拉拔的質(zhì)量，減少生產(chǎn)過(guò)程中斷絲的現(xiàn)象，改善連鑄坯中心碳偏析和提高盤條軋制過(guò)程中的冷卻速度來(lái)控制網(wǎng)狀碳化物的形成，應(yīng)是提高盤條質(zhì)量的重要手段。

[1]姜錫山.連鑄鋼缺陷分析與對(duì)策[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：137-139.

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[3]孟憲成.72A簾線鋼線材冷拔筆尖狀斷裂分析和改進(jìn)工藝措施[J].特殊鋼，2009，30（5）：55-57.

[4]薛正良，李正邦，張家雯.高碳鋼連鑄方坯中心偏析[J].煉鋼，2001（1）：56－59．

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[6]鄒冰梅.中心偏析與中心疏松的形成與預(yù)防[J].鋼鐵技術(shù)，2005（2）：1-3.

（收稿2012－05－27編輯潘娜）

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田慶榮（1965—），高級(jí)工程師，軋鋼試驗(yàn)室副主任，主要從事鋼鐵產(chǎn)品理化性能檢驗(yàn)與分析方面的研究工作，E-mail：ilmhome@126.com。