65Mn 盤條馬氏體異常組織分析

陳占杰 宋素格 趙自義 岳志超

（安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司）

0 引言

彈簧鋼是利用其熱處理后的彈性特性，用于制造彈簧和彈性元件的鋼。65Mn 為碳素彈簧鋼，具有強(qiáng)度高、硬度高、淬透性好等優(yōu)點(diǎn)，其盤條經(jīng)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)用于交通運(yùn)輸、機(jī)械、工具制造業(yè)及電子業(yè)等[1]。

下游一用戶在使用某一批65Mn 熱軋盤條時(shí)，在拉拔過(guò)程中發(fā)生脆斷。用戶工藝為：Φ 5.5 mm盤條→6 道次拉拔→Φ3.25 mm 圓絲。用戶反映這批盤條在第一道次Φ5.5 mm 拉拔至Φ5.0 mm 時(shí)就出現(xiàn)了多次脆斷，通過(guò)對(duì)盤條斷口表面進(jìn)行宏觀觀察發(fā)現(xiàn)，斷口部位未出現(xiàn)頸縮，且周邊未發(fā)現(xiàn)擦傷缺陷。

1 試驗(yàn)分析

在斷口附近位置截取試樣，經(jīng)研磨后用4%硝酸酒精溶液腐蝕，利用ZEISS Observer A1m 光學(xué)顯微鏡對(duì)其金相組織進(jìn)行觀察。試樣的金相組織如圖1 所示。

圖1 斷口附近盤條的金相組織

為保證彈簧鋼盤條后期的拉拔性能，組織一般控制為索氏體組織[2]。從圖1（a）可以看出，盤條整個(gè)橫截面出現(xiàn)一個(gè)黃褐色方形區(qū)域，明顯區(qū)別于正常組織；從圖1（b）可以看出，方形區(qū)域內(nèi)基本為馬氏體組織，盤條芯部和1/2 處均是馬氏體組織，異常組織在個(gè)別處延伸到邊部，馬氏體組織約占盤條整個(gè)橫截面的65%，其他部位為少量的索氏體組織。馬氏體組織具有高強(qiáng)度和高硬度，但轉(zhuǎn)變過(guò)程中晶格畸變大，相變應(yīng)力大等造成其硬而脆，韌性很差[3]。盤條存在馬氏體異常組織是造成本次拉拔脆斷的原因。通過(guò)FEI QUANTA 200 掃描電子顯微鏡、ZEISS Observer A1m 光學(xué)顯微鏡、馬弗爐等儀器對(duì)異常組織進(jìn)行分析，并提出了針對(duì)性的改進(jìn)措施。

2 試驗(yàn)分析

2.1 化學(xué)成分分析

從對(duì)盤條的金相觀察來(lái)看，其馬氏體組織多，組織明顯異常，首先考慮成分是否出現(xiàn)異常，對(duì)斷裂處盤條取樣并對(duì)其和正常65Mn 試樣進(jìn)行成分分析，結(jié)果見表1。

表1 成分檢測(cè)及國(guó)標(biāo)成分范圍

從表1 可以看出，在斷裂處所取試樣的成分和正常盤條試樣的成分基本相同，均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1222-2016 彈簧鋼成分要求。從成分值來(lái)看，各元素不同批次的成分控制波動(dòng)很小，其中P、S含量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求。由此判斷該批次65Mn 盤條的成分正常，盤條產(chǎn)生異常馬氏體組織并非成分原因造成的。

2.2 掃描電鏡分析

考慮到盤條馬氏體組織在芯部形成，因而通過(guò)掃描電子顯微鏡分析盤條斷面的元素偏析情況。連鑄坯一般在凝固過(guò)程中，因芯部最后凝固，溶質(zhì)含量高，易形成芯部成分偏析。鑄坯在軋制過(guò)程中，芯部成分偏析并未消除，盤條芯部組織易產(chǎn)生異常，特別是C、Mn 元素含量高的連鑄坯，芯部容易出現(xiàn)C、Mn 偏析。C、Mn 含量的增加造成連續(xù)冷卻C 曲線右移，在冷卻速度未達(dá)到原馬氏體轉(zhuǎn)變速度時(shí)也能發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變[4]。因此，考慮本批次盤條的馬氏體異常組織是否為成分偏析所造成，掃描電鏡通過(guò)電子束在試樣上進(jìn)行直線掃描或面掃描，可用來(lái)檢測(cè)特定元素的含量，來(lái)查看元素是否存在明顯偏析情況。從邊部開始向芯部進(jìn)行掃描，其C、Mn 面掃描和線掃描結(jié)果如圖2 所示。

圖2 電鏡掃描

從掃描結(jié)果來(lái)看，圖2（a）和（b）中C、Mn元素在面掃描中無(wú)明顯分布不均的情況；圖2（c）中，最高處線為Fe，底部靠近橫坐標(biāo)軸的相鄰較近的兩條線分別是C、Mn 元素線掃描結(jié)果。Fe 元素為基體，含量較高，測(cè)量值存在波動(dòng)。線掃描和面掃描結(jié)果基本一致，C、Mn 元素基本無(wú)明顯偏析，C、Mn 在向芯部線掃描時(shí)，其曲線放大后有少許“上揚(yáng)”表現(xiàn)，證明C、Mn 芯部含量變高，有少許偏析現(xiàn)象，但并不明顯。通過(guò)元素掃描分析，可以排除盤條存在嚴(yán)重偏析的情況。

3 討論與改進(jìn)

通過(guò)對(duì)成分和偏析情況的分析可知，盤條成分在正常控制范圍內(nèi)，同時(shí)不存在嚴(yán)重偏析的情況，而盤條的金相組織卻出現(xiàn)大量的馬氏體組織。經(jīng)進(jìn)一步查詢生產(chǎn)記錄發(fā)現(xiàn)，本批次65Mn 盤條在冬季天氣最冷時(shí)生產(chǎn)，且當(dāng)天為下雪天氣，另外其規(guī)格為Φ5.5 mm 極限小規(guī)格，規(guī)格越小，環(huán)境因素對(duì)冷卻工藝影響越明顯，寒冷的環(huán)境使其冷卻速度更快。因此，判定為盤條冷卻速度超過(guò)馬氏體轉(zhuǎn)變臨界速度，盤條產(chǎn)生大量的馬氏體組織，從而造成本批次65Mn 在拉拔時(shí)出現(xiàn)異常脆斷。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步試驗(yàn)和探討，一方面采取有效措施改善本批盤條異常組織，另一方面對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行修訂，以避免盤條異常組織再次產(chǎn)生。

3.1 回火試驗(yàn)

圖3 試樣的金相組織對(duì)比

馬氏體脆而硬且有很大內(nèi)應(yīng)力，變形時(shí)極易產(chǎn)生裂紋，應(yīng)盡快采取相應(yīng)措施予以消除。馬氏體在室溫下處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，在高于80 ℃時(shí)，馬氏體開始發(fā)生分解[3]，根據(jù)馬氏體組織的這一特性，對(duì)盤條進(jìn)行回火試驗(yàn)，取斷裂試樣盤條，在實(shí)驗(yàn)室條件下，利用馬弗爐加熱保溫進(jìn)行回火，回火工藝為：加熱到240 ℃，保溫2 h，隨爐冷卻至室溫。斷口處試樣截取兩段，一段進(jìn)行回火試驗(yàn)，一段保留，并對(duì)其進(jìn)行金相觀察對(duì)比，結(jié)果如圖3 所示。

從圖3 可以看出，斷口原始一段組織存在大量馬氏體組織，顏色存在明顯區(qū)別；經(jīng)回火后，馬氏體進(jìn)行分解，顏色發(fā)深的組織為馬氏體回火后的組織，進(jìn)一步放大500 倍，觀察到的組織為回火馬氏體組織，回火馬氏體減少了內(nèi)應(yīng)力，提高了塑性，但并不適用于拉拔加工。如果想對(duì)本批次盤條進(jìn)行拉拔，需要先對(duì)其進(jìn)行500 ～650 ℃高溫回火[5]，得到回火索氏體，塑性得到提高，才能滿足用戶拉拔加工。

3.2 軋制控冷試驗(yàn)

為防止Φ5.5 mm 規(guī)格65Mn 盤條冷卻過(guò)快，對(duì)冬季控冷工藝進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)工藝與原生產(chǎn)工藝的對(duì)比，以及其力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果與原生產(chǎn)工藝的力學(xué)性能對(duì)比見表2。

表2 Φ5.5mm 規(guī)格65Mn 控冷工藝及力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

從力學(xué)性能分析來(lái)看，隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)量的減少和部分保溫罩的關(guān)閉，其冷卻速度變慢，抗拉強(qiáng)度平均值有所降低。冷卻速度影響索氏體含量及索氏體片層間距，索氏體含量變少或片層間距變大，抗拉強(qiáng)度會(huì)有所降低。而斷面收縮率變化則不大。

對(duì)原生產(chǎn)工藝和試驗(yàn)工藝的金相組織進(jìn)行觀察，兩者的索氏體比率均在90%以上，含量無(wú)明顯差異，均未檢測(cè)到馬氏體異常組織。

采用兩種不同的冷卻速度進(jìn)行控冷試驗(yàn)，對(duì)試樣進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，原生產(chǎn)工藝和試驗(yàn)工藝的結(jié)果相差不大，原生產(chǎn)工藝的冷卻速度未達(dá)到異常組織產(chǎn)生的臨界速度，未出現(xiàn)異常組織。同時(shí)，對(duì)該批組織異常的65Mn 盤條生產(chǎn)情況追溯發(fā)現(xiàn)，在其生產(chǎn)時(shí)，受冬季天氣影響，影響到原生產(chǎn)工藝下的冷卻速度，超出馬氏體轉(zhuǎn)變臨界速度，造成異常組織的產(chǎn)生。為保證盤條不再出現(xiàn)馬氏體異常組織，冬季生產(chǎn)控冷工藝修訂為1～6 臺(tái)風(fēng)機(jī)，50% 風(fēng)量，保溫罩2～4 段開，其余關(guān)閉。

4 結(jié)論

本批65Mn 盤條存在大量馬氏體異常組織，通過(guò)試驗(yàn)分析，排除了成分異常、鑄坯芯部偏析的可能。判定為受冬季環(huán)境因素影響，冷卻速率過(guò)快，超出馬氏體轉(zhuǎn)變臨界速度，造成了盤條組織異常。通過(guò)回火試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其馬氏體分解，利用這個(gè)結(jié)果本批盤條可在高溫回火后拉拔使用。通過(guò)生產(chǎn)控冷試驗(yàn)，將冬季65Mn 小規(guī)格盤條生產(chǎn)控冷工藝調(diào)整為1～6 臺(tái)風(fēng)機(jī)，50%風(fēng)量，保溫罩2～4段開，其余關(guān)閉。