60Si2MnA彈簧鋼線材拉拔斷裂原因分析

佟程志，張彥章，孫偉

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司煉軋廠，天津300301）

60Si2MnA彈簧鋼線材拉拔斷裂原因分析

佟程志，張彥章，孫偉

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司煉軋廠，天津300301）

針對(duì)60Si2MnA彈簧鋼線材拉拔斷裂問(wèn)題，采用金相檢驗(yàn)和斷口分析的方法，分析出試樣表面裂紋、脫碳和硬相組織等缺陷在拉拔過(guò)程中引起的應(yīng)力集中是產(chǎn)生斷裂的原因，可通過(guò)提高尺寸精度和表面質(zhì)量、降低內(nèi)應(yīng)力、優(yōu)化拉拔工藝等方法減少拉拔斷裂的發(fā)生。

彈簧鋼；斷裂；拉拔；表面質(zhì)量

1 引言

60Si2MnA為Si-Mn系合金彈簧鋼，是我國(guó)用量較大、用途較為廣泛的彈簧鋼鋼種，主要用于制造鐵道車(chē)輛、汽車(chē)、拖拉機(jī)工業(yè)上承受較大負(fù)荷的扁形彈簧或直徑≤25 mm的螺旋彈簧，要求其具有良好的綜合力學(xué)性能[1-2]。60Si2MnA彈簧鋼卷簧工藝分熱成型和冷成型兩類(lèi)，目前隨著盤(pán)條質(zhì)量提高以及生產(chǎn)成本的要求，一般采用冷拔鋼絲冷卷成形。常見(jiàn)的盤(pán)條卷制工藝為：盤(pán)條（酸洗）→拉拔→卷制→去應(yīng)力退火→兩端面磨削→（拋丸）、（校整）、（去應(yīng)力退火）→立定或強(qiáng)壓處理→檢驗(yàn)→表面防腐處理[3]。某線材廠家生產(chǎn)的60Si2MnA彈簧鋼盤(pán)條在拉拔的過(guò)程中出現(xiàn)異常斷裂，為了弄清盤(pán)條異常斷裂的原因，本文通過(guò)宏觀觀察、掃描電鏡、光學(xué)顯微鏡等方法進(jìn)行了深入分析。

2 斷裂試樣檢測(cè)結(jié)果與分析

2.1 斷口宏觀觀察

為了更好地解決斷裂問(wèn)題，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)跟蹤，對(duì)發(fā)生斷裂的試樣斷口形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)斷口主要呈現(xiàn)兩種形貌：平斷和斜斷，均為脆性斷裂，典型斷口形貌如圖1所示。大量研究表明，彈簧鋼的拉拔斷裂主要取決于盤(pán)條的強(qiáng)度、表面和內(nèi)部質(zhì)量。因此采用光鏡和掃描電鏡分別對(duì)斷裂試樣表面、斷口形貌及組織進(jìn)行分析。

圖1 斷裂試樣斷口形貌

2.2 表面觀測(cè)

對(duì)所有斷裂試樣表面進(jìn)行宏觀觀察發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)試樣表面均有一道或多道嚴(yán)重的表面拉拔痕跡個(gè)別部位有明顯的裂紋。選取典型劃傷形貌進(jìn)行切割取樣，試樣經(jīng)酒精和超聲波清理后，放入掃描電鏡對(duì)試樣表面進(jìn)行觀察。

觀測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 斷口毗鄰表面放大形貌

由圖2可以看出，拉拔斷裂試樣表面局部存在明顯的裂紋，裂紋垂直于盤(pán)條軸向，具有明顯的擠壓變形痕跡。對(duì)其對(duì)應(yīng)的橫斷面進(jìn)行觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，試樣表面均有少量細(xì)微裂紋，如圖2（b）中所示，從裂紋及周邊形貌可以斷定：細(xì)微裂紋是在拉拔過(guò)程中產(chǎn)生，缺陷部位有明顯擠壓和不均勻變形跡象，這一缺陷與試樣表面的平行裂紋相對(duì)應(yīng)。可以斷定，裂紋產(chǎn)生于冷拉拔過(guò)程中，表觀形貌表征與冷拉拔過(guò)程有關(guān)。為了進(jìn)一步研究裂紋產(chǎn)生原因，對(duì)斷裂試樣斷口及橫斷面的金相組織和進(jìn)行觀察。

2.3 金相組織

在斷口緊鄰部位取橫向金相試樣進(jìn)行觀察，顯微組織如圖3所示。金相組織結(jié)果表明，斷口試樣1/4處組織由鐵素體和珠光體組成，鐵素體彌散分布，心部組織偏析不明顯，總的來(lái)說(shuō)，試樣組織均勻細(xì)小，未發(fā)現(xiàn)有明顯缺陷。經(jīng)過(guò)表面金相檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，斷裂試樣表面均有不同程度的表面脫碳，同時(shí)表面局部發(fā)現(xiàn)有如圖3中所示的擦傷缺陷，缺陷部位有明顯擠壓變形痕跡，這一缺陷與圖2中試樣表面的裂紋相對(duì)應(yīng)。為了進(jìn)一步研究斷裂的原因，對(duì)斷口表面微觀形貌進(jìn)行了觀察。

2.4 斷口微觀形貌分析

圖3 斷裂試樣不同部位組織

（1）斷口觀察

將斷裂試樣用切割機(jī)將斷口部位進(jìn)行分離，同樣采用酒精和超聲波清理，然后用掃描電鏡對(duì)其斷口宏觀形貌進(jìn)行觀察，如圖4所示。

圖4為彈簧斷裂試樣斷口的宏觀形貌。結(jié)果表明，斷口上布滿(mǎn)放射狀條紋，說(shuō)明彈簧在拉拔過(guò)程中一次加載斷裂，根據(jù)斷口表面放射狀條紋指向可以判斷裂紋源位置在表面缺陷部位，與宏觀缺陷和金相一一對(duì)應(yīng)。斷面幾乎與拉拔方向垂直，斷面較為平齊，無(wú)明顯塑性變形。裂紋源區(qū)位于盤(pán)條表面，裂紋從表面向心部方向擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展方向垂直于盤(pán)條拉拔方向，具有典型的脆性斷裂特征[4]。由于冷加工過(guò)程溫度較低，斷口纖維區(qū)較小，放射區(qū)占的比例較大。

（2）微觀檢測(cè)

圖4 斷口宏觀形貌

為了研究斷裂起因，在斷口宏觀分析的基礎(chǔ)上，繼續(xù)采用掃描電鏡對(duì)典型斷口局部區(qū)域的微觀形貌進(jìn)行分析。其中圖5中試樣分別對(duì)應(yīng)于圖4（a）和（b）試樣。

圖5 斷裂試樣起始部位斷口及毗鄰表面微觀形貌

從圖5微觀觀察結(jié)果表明，在斷裂源區(qū)表面看到與斷口邊緣平行或是成一定角度的條紋，附近并未有明顯的塑性變形，但有被擠壓的痕跡。因此裂紋產(chǎn)生主要是由于冷拉拔過(guò)程中盤(pán)條在模具中發(fā)生不均勻變形，局部受到嚴(yán)重?cái)D壓引起應(yīng)力集中所致，在后續(xù)拉拔受力過(guò)程中產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展。擴(kuò)展區(qū)解理和準(zhǔn)解理斷裂特征進(jìn)一步證明了這一點(diǎn)。

3 討論

3.1 彈簧拉拔過(guò)程中斷裂性質(zhì)

根據(jù)上述斷裂試樣的綜合分析，特別是斷口分析所揭示的形態(tài)特征：斷口平齊，斷裂表面與盤(pán)條拉拔方向垂直；附近金屬未發(fā)生明顯塑性變形斷口表面可以看到細(xì)微裂紋?？紤]到盤(pán)條在拉拔過(guò)程中的受力狀態(tài)，可以認(rèn)為，60Si2MnA彈簧鋼在拉拔過(guò)程中斷裂是因局部變形不均引起的拉拔斷裂[4]。

3.2 拉拔斷裂原因分析

斷裂試樣附近橫截面金相檢驗(yàn)結(jié)果表明，金相組織正常，但在表面檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)有不同程度的脫碳和裂紋，且有比較嚴(yán)重的擦傷。斷口分析結(jié)果表明根據(jù)斷口表面放射狀條紋的走向，斷裂彈簧的裂紋均起源于表面缺陷。在拉拔過(guò)程中盤(pán)條除要承受模具周向的擠壓力以外，還要疊加一個(gè)盤(pán)條在軋制和冷卻過(guò)程中留在盤(pán)條中的殘余應(yīng)力。正常條件下盤(pán)條表面就是應(yīng)力集中部位，因盤(pán)條變形不均而在某一部位使應(yīng)力集中進(jìn)一步加劇，進(jìn)而產(chǎn)生硬相組織，在后續(xù)拉拔過(guò)程中產(chǎn)生裂紋并迅速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂[5-7]。

因此從預(yù)防斷裂的角度應(yīng)當(dāng)做好以下方面工作

（1）彈簧鋼表面脫碳嚴(yán)重影響彈簧的疲勞性能特別當(dāng)彈簧鋼表面出現(xiàn)鐵素體的全脫碳時(shí)，必須通過(guò)加熱溫度和時(shí)間優(yōu)化減小脫碳層厚度，從而減小脫碳的不利影響。

（2）最大應(yīng)力大多發(fā)生在彈簧材料的表層。需要進(jìn)一步提高盤(pán)條表面質(zhì)量，杜絕表面裂紋及劃傷等軋制缺陷產(chǎn)生，同時(shí)做好盤(pán)條運(yùn)輸和倒運(yùn)過(guò)程中防護(hù)。

（3）通過(guò)對(duì)成品孔型和入口導(dǎo)衛(wèi)優(yōu)化以及紅坯尺寸監(jiān)測(cè)，保證彈簧鋼C級(jí)尺寸精度嚴(yán)格要求，尤其是橢圓度控制，避免在后續(xù)拉拔過(guò)程中局部點(diǎn)和線接觸變形，產(chǎn)生異常組織。

（4）軋制過(guò)程采用無(wú)張力軋制，通過(guò)優(yōu)化控制軋制和冷卻工藝以及時(shí)效處理等方式，減少盤(pán)條殘余應(yīng)力產(chǎn)生，減少斷裂發(fā)生的可能。

（5）做好冷拉拔準(zhǔn)備工作，根據(jù)盤(pán)條來(lái)料情況及時(shí)調(diào)整拉拔工藝，及時(shí)檢查拉拔模具是否損壞，做好拉拔過(guò)程中潤(rùn)滑。

4 結(jié)論

拉拔斷裂試樣斷口分析結(jié)果表明，拉拔斷裂試樣表面局部存在明顯的裂紋，細(xì)微裂紋是在拉拔過(guò)程中產(chǎn)生，缺陷部位有明顯擠壓變形，裂紋源位置在表面缺陷部位，斷面較為平齊，裂紋從表面向心部方向擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展方向垂直于盤(pán)條拉拔方向，無(wú)明顯塑性變形，具有典型的脆性斷裂特征。

斷裂試樣1/4處組織由鐵素體和珠光體組成，鐵素體彌散分布，心部組織偏析不明顯，組織均勻細(xì)小，未發(fā)現(xiàn)有明顯缺陷。

彈簧拉拔斷裂由于局部變形不均引起的斷裂，表面變形不均引起應(yīng)力集中是導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展斷裂的原因。

[1]徐德祥,尹鐘大.高強(qiáng)度彈簧鋼的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)[J].鋼鐵2004，39（1）：67-70.

[2]潘輝.高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)彈簧鋼60Si2MnA性能控制實(shí)驗(yàn)研究[D].北京：北京科技大學(xué)，2007.

[3]干勇，田志凌，董瀚，等.中國(guó)材料工程大典第3卷鋼鐵材料工程（下）[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[4]張棟，鐘培道，陶春虎.失效分析[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社2004.

[5]李文成.機(jī)械裝備失效分析[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2008.

[6]張力，王金星，梁紅，等.齒輪軸失效分析[J].材料導(dǎo)報(bào)，2007，2（5A）：490-491.

[7]費(fèi)勁，陳秀敏，鐘創(chuàng)奎，等.輸送提升機(jī)傳動(dòng)軸斷裂分析[J].材料導(dǎo)報(bào)，2004，18（8A）：327-328.

Causes Analysis on Draw ing Fracture of 60Si2MnA Spring Steel W ire Rod

TONG Cheng-zhi,ZHANG Yan-zhang and SUN Wei
(Steel-making and Rolling Plant,Tianjin Iron&Steel Co.,Ltd.,Tianjin 300301,China)

In order to solve the problem of drawing fracture of 60Si2MnA spring steel wire rod,methods of metallographic inspection and fracture analysis were adopted and the cause of fracture was found to be stress concentration during drawing induced by defects of surface crack,decarburization and hard phase structure. The drawing fracture could be eliminated by improving dimension precision and surface quality,reducing inner stress and optimizing drawing process.

spring steel;fracture;drawing;surface quality

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.05.006

2016-05-16

2016-06-06

佟程志（1981—），男，工程師，主要從事中厚板所有品種生產(chǎn)組織、工藝控制和產(chǎn)品質(zhì)量改進(jìn)等工作。