65Mn彈簧鋼盤(pán)條拉拔成型斷裂分析

陳新慈 杜海明 趙賢平 田伏慶 欒中元

(安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司)

0 前言

65Mn 為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有強(qiáng)度高、硬度高，淬透性好，脫碳傾向小等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)冷軋深加工后用于制造各種截面較小的扁彈簧、圓彈簧、座墊彈簧、彈簧發(fā)條等，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、火車(chē)等交通運(yùn)輸工具制造業(yè)及電子業(yè)［1－2］。

65Mn 盤(pán)條加工成彈簧生產(chǎn)工藝流程為:抽檢→酸洗磷化→表面磷化效果檢驗(yàn)→1 ～3 道次拉拔→3道次連軋→熱處理→電解酸洗→水洗→成品三連軋→頭尾探傷→成品檢驗(yàn)→入庫(kù)。其成品如圖1 所示。

用戶近期使用的一批65Mn 盤(pán)條拉拔后在繞制螺旋彈簧成型過(guò)程中出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，筆者利用直讀光譜儀、FEI QUANTA 200 掃描電子顯微鏡、ZEISS Observer A1m 光學(xué)顯微鏡、TMVP －1S 顯微硬度計(jì)等儀器對(duì)斷裂樣品進(jìn)行了化學(xué)成分分析、斷口分析、顯微組織分析和顯微硬度檢測(cè)等，以分析其斷裂原因，達(dá)到改進(jìn)和提升產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

圖1 65Mn 盤(pán)條加工的成品彈簧件

1 化學(xué)成分分析

對(duì)其中兩個(gè)斷裂65Mn 彈簧件試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，其結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 65Mn 化學(xué)成分設(shè)計(jì)與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

由表1 可知，65Mn 的化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求和生產(chǎn)控制的要求，且波動(dòng)很小，其中硫、磷的含量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值，另外對(duì)比該批次65Mn 正常生產(chǎn)時(shí)的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出，各成分之間無(wú)明顯差別，由此可判定該批次65Mn 盤(pán)條鋼質(zhì)比較均勻，合金元素含量對(duì)盤(pán)條拉拔時(shí)產(chǎn)生開(kāi)裂的影響不大。

2 斷口分析

為了更直觀找到影響斷裂的因素，首先利用Quanta 200 掃描電子顯微鏡對(duì)65Mn 彈簧件的斷口及缺陷部位進(jìn)行分析，對(duì)試樣缺陷部位進(jìn)行切割，經(jīng)超聲波清洗后，觀察發(fā)現(xiàn)斷裂的試樣裂紋源起源邊部，邊部存在很多微裂紋，形貌如圖2(a)所示，可以明顯看出，微裂紋的方向基本與彈簧件的軸線呈90 °，且小范圍內(nèi)基本呈等間距分布在彈簧件的邊緣;少數(shù)試樣在邊部發(fā)現(xiàn)類(lèi)似結(jié)疤的缺陷，形貌如圖2(b)所示;另有部分試樣在熱處理過(guò)程出現(xiàn)了中心縱向開(kāi)裂的情況，掃描電鏡觀察的照片如圖2(c)所示。

圖2 65Mn 彈簧件缺陷部位形貌

通過(guò)掃描電子顯微鏡對(duì)微裂紋、結(jié)疤、中心開(kāi)裂處的進(jìn)一步分析，并未在裂紋源和缺陷附近檢測(cè)到異常的化學(xué)成分，所以可以排除連鑄時(shí)保護(hù)渣卷入而形成的缺陷。

3 顯微組織分析

將試樣拋光后，用4%硝酸酒精溶液腐蝕，利用ZEISS Observer A1m 光學(xué)顯微鏡進(jìn)行組織觀察，基體組織為索氏體+珠光體，如圖3(a)所示;邊部存在裂紋的試樣表層附近存在異常組織，主要是萊氏體和網(wǎng)狀滲碳體，如圖3(b)所示;另外少數(shù)試樣在邊部裂紋源附近觀察到圖3(c)所示的另類(lèi)異常組織，該組織形態(tài)發(fā)生流變，對(duì)其進(jìn)行顯微硬度分析，其硬度值為(HV0．5):514．8、522．8、518．3，接近淬火馬氏體硬度;對(duì)邊部出現(xiàn)結(jié)疤缺陷的試樣做金相分析，結(jié)疤處存在明顯的脫碳現(xiàn)象，如圖3(d)所示;對(duì)熱處理過(guò)程中出現(xiàn)中心開(kāi)裂的試樣做金相分析，在試樣中心發(fā)現(xiàn)有大量馬氏體組織，如圖3(e)所示。

4 分析與討論

4．1 萊氏體和網(wǎng)狀滲碳體

組織中出現(xiàn)圖3(b)所示的高碳萊氏體和網(wǎng)狀滲碳體，主要是由于鑄坯連鑄過(guò)程中操作不當(dāng)，保護(hù)渣中的石墨碳隨鋼液進(jìn)入結(jié)晶器，而造成連鑄坯表面局部增碳［3－4］。使邊部存在碳偏析，從而形成網(wǎng)狀滲碳體，使鋼的脆性大大增加，韌性急劇下降，在拉拔外力的作用下，不能同基體組織同步變形，首先在晶界形成微裂紋，隨著變形增加，裂紋擴(kuò)展最終引起脆斷［5］。同時(shí)，滲碳體的增多對(duì)材料的塑性和沖擊韌性也有很大影響，當(dāng)組織中出現(xiàn)以滲碳體為基體的萊氏體時(shí)，塑性降低到接近于零值［6］。連鑄時(shí)要嚴(yán)格控制結(jié)晶過(guò)程，盡量避免連鑄坯出現(xiàn)局部碳偏析的情況，可以避免在軋制過(guò)程局部出現(xiàn)異常組織萊氏體和網(wǎng)狀滲碳體。

4．2 流變組織

邊部出現(xiàn)如圖3(c)所示的異常組織硬度非常高，接近淬火馬氏體的硬度，通過(guò)表面分析，該區(qū)域可能是吊裝、運(yùn)輸或拉拔過(guò)程中與地面、車(chē)輛、吊具、夾具等碰撞、摩擦后形成的擦傷，在此過(guò)程中盤(pán)條表面瞬間升溫后又快速冷卻，很容易發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，而馬氏體不宜變形，再加上擦傷部位附近的組織也發(fā)生明顯流變，容易形成應(yīng)力集中，在拉拔過(guò)程中極易出現(xiàn)微裂紋，甚至出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象［7－8］。在實(shí)際吊裝、運(yùn)輸過(guò)程中要盡量做到輕拿輕放，另外，盤(pán)條在拉拔過(guò)程中要保證表面光潔、潤(rùn)滑良好，盡量避免模具問(wèn)題對(duì)拉拔結(jié)果造成影響。

4．3 結(jié)疤

結(jié)疤一般是指連鑄坯表面的夾渣、裂紋、凹坑等，在軋制過(guò)程中形成較薄、扁平的不均勻分布在鋼材表面呈舌狀、指甲狀或魚(yú)鱗狀的薄片。由圖3(d)可以看出，結(jié)疤處存在嚴(yán)重脫碳，出現(xiàn)大量鐵素體，表明該處缺陷來(lái)自原鑄坯上的表面裂紋(或局部小裂紋簇)，表面裂紋經(jīng)高溫加熱其附近的組織產(chǎn)生嚴(yán)重脫碳，組織發(fā)生變化，在軋制過(guò)程中形成結(jié)疤［9］。針對(duì)表面出現(xiàn)結(jié)疤、裂紋等缺陷，在生產(chǎn)中要嚴(yán)格控制連鑄過(guò)程，及時(shí)對(duì)鑄坯表面缺陷進(jìn)行檢查與清理，軋制時(shí)要保證軋制節(jié)奏穩(wěn)定，及時(shí)對(duì)軋材表面質(zhì)量進(jìn)行檢查。

圖3 65Mn 基體及缺陷處的金相照片

4．4 淬火馬氏體

部分65Mn 試樣熱處理后出現(xiàn)中心開(kāi)裂，在金相分析時(shí)發(fā)現(xiàn)試樣中心存在如圖3(e)所示的淬火組織(高碳片狀馬氏體)。中高碳鋼盤(pán)條容易形成中心組織偏析和成分偏析，大多數(shù)合金元素(除Co、Al 外)都使點(diǎn)Ms 下降，因而會(huì)促進(jìn)片狀馬氏體的形成。高碳片狀馬氏體的一個(gè)重要特點(diǎn)，就是存在大量的顯微裂紋，這種馬氏體的形成速度極快，在其相互碰撞或與奧氏體晶界相撞時(shí)將引起相當(dāng)大的應(yīng)力場(chǎng)，高碳馬氏體本身又很脆，因此容易形成撞擊裂紋，顯微裂紋的存在增加了高碳馬氏體鋼件的脆性，在內(nèi)應(yīng)力的作用下顯微裂紋將會(huì)逐漸擴(kuò)展成為宏觀裂紋，可以導(dǎo)致工件開(kāi)裂或使工件的疲勞壽命明顯下降［10－11］。針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，可以通過(guò)優(yōu)化熱處理工藝，完全消除淬火組織，得到均勻的索氏體和珠光體組織，如圖3(a)所示，避免盤(pán)條熱處理后中心開(kāi)裂的問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

1)65Mn 彈簧鋼盤(pán)條表面出現(xiàn)局部增碳、結(jié)疤和擦傷等異常缺陷是其成型斷裂的主要原因。

2)65Mn 彈簧鋼熱處理后出現(xiàn)中心開(kāi)裂的主要原因是鉛浴淬火不當(dāng)，加之芯部成分偏析，在芯部區(qū)域析出大量馬氏體組織，形成淬火裂紋。

3)加強(qiáng)生產(chǎn)過(guò)程控制，避免盤(pán)條在吊裝、運(yùn)輸、拉拔過(guò)程中受到擦傷，是保證盤(pán)條拉拔成型時(shí)不發(fā)生開(kāi)裂的重要措施。同時(shí)優(yōu)化熱處理工藝，得到均勻的索氏體組織，避免中心縱向開(kāi)裂的問(wèn)題。

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