65鋼拉簧斷裂原因分析及改進(jìn)措施

羅新中 林晏民 曾虎

(寶鋼集團(tuán)韶關(guān)鋼鐵有限公司質(zhì)量檢測中心)

0 前言

高碳盤條鋼通過拉拔成絲，加工成高碳鋼絲，高碳鋼絲通常被用于制造鋼纜、彈簧鋼絲、鋼絞線等產(chǎn)品。由于高碳盤條鋼在后續(xù)加工過程中要經(jīng)過多次拉拔、彎曲、扭轉(zhuǎn)，因此要求高碳盤條要具有良好的拉拔性能，成分均勻穩(wěn)定，嚴(yán)格控制鋼中的夾雜物，金相組織以索氏體為主、脫碳少，盡量避免出現(xiàn)馬氏體、先共析鐵素體、網(wǎng)狀滲碳體等組織，盤條表面質(zhì)量和外形尺寸好、通條性能穩(wěn)定。

65 鋼的主要生產(chǎn)流程為:鐵水→轉(zhuǎn)爐→LF 精煉爐→方坯連鑄→加熱爐→高速線材控軋控冷→精整。用戶在對65 鋼拉簧加工過程中出現(xiàn)斷裂，為此對拉簧斷裂試樣進(jìn)行化學(xué)成分、金相組織、夾雜物。力學(xué)性能、掃描電鏡等分析。

1 實(shí)驗(yàn)研究

分別取65 鋼拉簧斷裂的試樣及拉拔前的母材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1．1 化學(xué)成分

對斷裂試樣及其母材分別進(jìn)行化學(xué)成分檢測，檢測結(jié)果見表1。由表1 可以看出，斷裂試樣和母材的化學(xué)成分相差不大，且均在GB/T699 控制范圍內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1．2 力學(xué)性能

對拉簧斷裂試樣的母材取2 根樣品(分別為1#和2#)進(jìn)行力學(xué)性能檢測，檢測結(jié)果見表2。

表1 化學(xué)成分檢測結(jié)果 wt/%

表2 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

65 鋼硬線盤條的力學(xué)性能一般不作為判定依據(jù)，僅以質(zhì)量證明書的形式提供給客戶，但是從表2中可以看出，試樣的力學(xué)性能的各個指標(biāo)均達(dá)到了GB/T699 的要求。

1．3 非金屬夾雜物

對斷裂試樣及母材分別進(jìn)行非金屬夾雜物檢測，在光學(xué)顯微鏡100 倍下觀察，采用GB/T10561(A 法)進(jìn)行夾雜物評級，結(jié)果見表3。

表3 夾雜物結(jié)果

由表3 可知，斷裂試樣及母材的非金屬夾雜物都非常少，均不超過0．5 級。

1．4 金相檢驗(yàn)

對斷裂試樣及母材進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)，金相試樣用3．5%的硝酸酒精溶液進(jìn)行浸蝕。斷裂試樣金相組織為索氏體+少量鐵素體，邊緣沒有脫碳(如圖1 所示)。母材金相組織為索氏體+珠光體+鐵素體，邊緣沒有脫碳，其中索氏體含量約為65%(如圖2 所示)。

圖1 斷裂試樣金相組織(500 倍)

圖2 母材金相組織(500 倍)

1．5 掃描電鏡及能譜檢驗(yàn)

取拉簧斷口在KYKY －3800 型掃描電子顯微鏡下觀察斷口形貌，并利用能譜儀對斷口進(jìn)行微區(qū)成分分析。在較低倍數(shù)下觀察斷口形貌，發(fā)現(xiàn)斷口裂紋起源于彎曲方向的外側(cè)，然后向內(nèi)側(cè)擴(kuò)展(如圖3 所示)。對裂紋源側(cè)面進(jìn)行電鏡掃描，發(fā)現(xiàn)裂紋源比較平整，裂紋源附近的試樣表面有多處開裂(如圖4 所示)。

圖3 斷口電鏡掃描形貌

圖4 裂紋源外表面電鏡掃描形貌

對裂紋源進(jìn)行電鏡掃描及微區(qū)成分分析，如圖5 所示。從能譜掃描結(jié)果可知，裂紋源處主要化學(xué)成分有:Fe、O、Na、K、Cl、Si、Ca、Al、Mg 等。

圖5 裂紋源處化學(xué)成分

2 結(jié)果分析及改進(jìn)措施

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，65 鋼的化學(xué)成分、力學(xué)性能及非金屬夾雜物均達(dá)到國標(biāo)要求。試樣的表面缺陷、金相組織中索氏體含量偏低是造成拉簧斷裂的潛在原因。

2．1 電鏡及能譜檢驗(yàn)結(jié)果分析

從電鏡掃描及能譜檢驗(yàn)結(jié)果可知，試樣表面存在大量的微裂紋，斷口裂紋源是表面微裂紋在彎曲過程中擴(kuò)展形成的，最終導(dǎo)致拉簧斷裂。微裂紋內(nèi)部的化學(xué)成分含有Na、K 等不常見元素，而且處于試樣邊部，所以可以推斷與連鑄保護(hù)渣的卷入有關(guān)。連鑄過程中有中間包保護(hù)渣，結(jié)晶器保護(hù)渣和覆蓋劑等，最有可能的是結(jié)晶器保護(hù)渣的卷入。

在澆鑄過程中，如果結(jié)晶器鋼水液面不平穩(wěn)，則保護(hù)渣在熔化過程中和鋼水直接接觸，從而被卷入鋼水內(nèi)部，進(jìn)一步凝固在鋼坯的近表面［1］。保護(hù)渣的卷入伴隨而來的是大尺寸夾雜物和組織的不均勻，拉拔過程中破壞了表面金屬流動的連續(xù)性，阻礙了材料的變形，導(dǎo)致變形應(yīng)力首先在此處集中，在持續(xù)外力作用下形成微裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致材料在彎曲成彈簧時發(fā)生斷裂［2］。

2．2 金相組織結(jié)果分析

從金相檢測結(jié)果可以看出，母材索氏體含量約為65%，組織中有大量的珠光體和先共析鐵素體。拉簧斷裂試樣的組織主要為索氏體，這是因?yàn)槟覆慕?jīng)過拉拔組織片間距變小，從而表現(xiàn)出索氏體形貌。

高碳盤條鋼的索氏體化率雖然沒有明確規(guī)定，但通常要求在90%以上。索氏體是一層鐵素體和一層滲碳體的機(jī)械混合物，索氏體的片間距比普通珠光體的片間距要小。珠光體類組織片間距越小，相界越多，在外力作用下，抗塑性變形能力增強(qiáng)，強(qiáng)度增高，同時塑性也增大，故索氏體的綜合性能較好［3］。索氏體塑性性能好，是65 鋼希望得到的組織，拉拔過程中，珠光體和先共析鐵素體承受的加工變形應(yīng)力與索氏體不一樣，容易引起應(yīng)力集中。鋼中的索氏體含量低，鋼的塑韌性能差，加工變形能力差［4］。由于母材的索氏體化率偏低，在一定程度上會降低材料的塑性，從而導(dǎo)致材料在拉簧過程中發(fā)生斷裂。

2．3 改進(jìn)措施

2．3．1 連鑄工藝優(yōu)化措施

連鑄過程中保護(hù)渣卷入的主要原因是結(jié)晶器鋼水液面不平穩(wěn)，保護(hù)渣被卷入鋼水內(nèi)部，凝固在鋼坯表面。減少液面波動的主要措施有:

1)結(jié)晶器保護(hù)渣使用高碳鋼專用保護(hù)渣，提高保護(hù)渣融化溫度、粘度，增加堿度，提高坯殼的穩(wěn)定性，避免由于坯殼不均勻造成結(jié)晶器液面波動;

2)減小進(jìn)入結(jié)晶器中鋼水的過熱度，中間包鋼水目標(biāo)過熱度為15 ℃～30 ℃，增加凝固速度，緩解液面波動;

3)恒拉速生產(chǎn)，中間包鋼水在目標(biāo)過熱度內(nèi)時，拉速控制在(2．0 ±0．1)m/min，減少拉速不穩(wěn)定造成的液面波動。

2．3．2 控冷工藝優(yōu)化措施

索氏體含量偏低和存在先共析鐵素體是65 鋼一直存在的問題，主要是由于軋制過程中冷卻工藝不當(dāng)造成的。優(yōu)化控軋控冷的主要措施有:

1)增加吐絲后至索氏體等溫轉(zhuǎn)變前的冷卻速度，打開所有風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)冷，使冷卻速度達(dá)到12 ℃/s ～15 ℃/s，避免先共析鐵素體的析出;

2)在索氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍進(jìn)行保溫，索氏體實(shí)際組織轉(zhuǎn)變溫度為620 ℃～500 ℃，在此溫度范圍內(nèi)增加保溫罩，盡可能的為索氏體等溫轉(zhuǎn)變創(chuàng)造條件。

3 結(jié)論

連鑄過程中保護(hù)渣的卷入在拉拔時形成表面微裂紋，這是導(dǎo)致65 鋼拉簧斷裂的主要原因，軋制過程中控軋控冷不當(dāng)造成的索氏體化率偏低降低了材料的塑性變形能力，推動了拉簧斷裂。通過改善連鑄和控軋控冷工藝，可以有效避免保護(hù)渣的卷入，提高索氏體化率，從而提高65 鋼拉簧的綜合性能。

［1］嚴(yán)春蓮，劉曉嵐，任群，等． 高碳鋼盤條的常見缺陷分析［J］．物理測試，2007，25(2):46 －51．

［2］崔發(fā)明．高碳鋼絲扭轉(zhuǎn)斷裂原因分析［J］． 金屬制品，2007，33(3):39 －41．

［3］趙賢平，郭世寶，孫紅英，等． 高碳盤條力學(xué)性能不合格原因分析［J］． 河南冶金，2009，17(1):17 －19．

［4］陳勇，陳海軍，馮躍平．高速線材65 鋼控冷技術(shù)試驗(yàn)研究［J］．新疆鋼鐵，2004，3:2 －3．