55SiCr盤條表面異常組織原因分析

王小忠，朱文凱，黃春成，安鵬達(dá)

(中天鋼鐵集團(tuán)有限公司, 江蘇 常州 213011)

55SiCr熱軋盤條可用于制造汽車懸掛彈簧，由較高規(guī)格的熱軋盤條經(jīng)拉拔、繞簧、熱處理等工藝制成。懸掛彈簧在汽車行進(jìn)過程中承受往復(fù)伸縮運(yùn)動(dòng)，主要作用是吸收振動(dòng)，保證乘員的舒適性[1-2]。現(xiàn)有55SiCr鋼熱軋盤條經(jīng)酸洗后，由原材料Φ16 mm盤條拉拔至Φ15.9 mm后的矯直過程中發(fā)生斷裂，并且經(jīng)拉拔的鋼絲在淬回火后的卷簧時(shí)也產(chǎn)生斷裂?，F(xiàn)采用直讀光譜儀、光學(xué)金相顯微鏡、掃描電鏡等對(duì)這兩種斷裂的試樣進(jìn)行了分析，研究其斷裂原因。

1 理化分析

1.1 宏觀分析

1.1.1 拉拔矯直斷裂斷口分析

盤條拉拔矯直斷裂斷口宏觀形貌如圖1所示，斷口較平齊并與軸向相垂直，斷裂起源于盤條表面，斷裂源處盤條表面存在多條細(xì)小裂紋，這些細(xì)小裂紋分布在沿盤條軸向的窄小區(qū)域，且有的細(xì)小裂紋處已起皮，類似于細(xì)小結(jié)疤缺陷；窄小區(qū)域約有數(shù)百毫米長(zhǎng)，有多個(gè)這樣的窄小區(qū)域相隔分布，見圖2～圖4。

圖1 拉拔矯直斷裂斷口宏觀形貌

圖3 前圖箭頭指處放大

圖4 遠(yuǎn)離斷裂源處盤條表面缺陷形貌

1.1.2 卷簧斷裂斷口分析

卷簧斷裂斷口宏觀形貌如圖5所示，為典型的彎曲斷裂斷口形貌，斷裂起源于鋼絲表面，斷裂源處鋼絲表面存在多條細(xì)小橫向裂紋，見圖5～圖6。

圖5 卷簧斷裂斷口宏觀形貌

圖6 斷裂源處鋼絲表面有多條細(xì)小橫向裂紋

1.2 化學(xué)成分分析

從斷裂試樣上取樣，使用德國(guó)超譜公司QSN750型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。結(jié)果表明，斷裂試樣的化學(xué)成分符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1222-2016《彈簧鋼》中對(duì)55SiCr鋼的成分要求。

表1 斷裂試樣的化學(xué)成分與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照

1.3 金相分析

1.3.1 拉拔矯直斷裂試樣

在靠近斷口斷裂源處和遠(yuǎn)離斷口處的盤條表面細(xì)小裂紋部位取橫向截面試樣，經(jīng)磨制、拋光和浸蝕后用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察?？梢钥闯?，斷裂源處細(xì)小裂紋截面深度約為0.34 mm，裂紋前端裂縫內(nèi)存在有灰色物質(zhì)；在裂縫一側(cè)存在一個(gè)三角區(qū)域的異常組織，其組織為珠光體和眾多不規(guī)則的白色塊顆粒；而基體組織為珠光體和少量鐵素體，三角區(qū)域組織明顯不同于基體組織，見圖7～圖9。同樣，在遠(yuǎn)離斷口處的盤條表面細(xì)小裂紋部位橫向試樣上也觀察到裂紋處存在三角區(qū)域異常組織，見圖10～圖11。

圖7 100×斷裂源處細(xì)小裂紋深度約0.34mm，在裂紋一側(cè)存在一個(gè)異常組織的三角區(qū)

圖9 500×基體組織

圖10 100×盤條細(xì)小裂紋深度約0.34mm，在裂紋處存在一個(gè)異常組織的區(qū)或

圖11 500×三角區(qū)域組織為珠光體+眾多不規(guī)則的白色塊顆粒

1.3.2 卷簧斷裂試樣

在卷簧斷裂源處表面橫向裂紋位置取縱向樣分析，該處縱向截面顯示了多條橫向裂紋的截面形貌，裂紋深約0.50 mm左右。表層存在異常組織，深約0.30 mm，組織為回火馬氏體+回火屈氏體+殘余奧氏體及少量碳化物，而基體金相組織為回火屈氏體，裂紋已穿過表層異常組織區(qū)進(jìn)入基體中，見圖12～圖13。

圖12 30×卷簧斷裂源處縱向截面組織形貌，表層組織與基體組織存在差異

圖13 500×縱向表層組織形貌

在卷簧斷裂源處表面橫向裂紋位置取橫向樣分析，發(fā)現(xiàn)細(xì)小橫向裂紋處的表層組織僅為寬度約為0.8 mm的部分區(qū)域，其組織與縱向截面發(fā)現(xiàn)的表層組織相同，也為回火馬氏體+回火屈氏體+少量殘余奧氏體及碳化物，見圖14～圖15。

圖14 65×卷簧斷裂源處橫向截面組織形貌

圖15 500×橫向表層組織形貌

1.4 微區(qū)成分分析

用X射線能譜儀對(duì)拉拔矯直斷裂盤條表面異常組織區(qū)域的特征相進(jìn)行微區(qū)成分面分析，結(jié)果見圖16～圖19和表2。結(jié)果表明，斷裂源處細(xì)小裂紋裂縫內(nèi)存在的灰色物質(zhì)為氧化鐵(見圖16和表2)。斷裂盤條表面異常組織區(qū)域內(nèi)的白色塊顆粒含有C、Cr和Fe等元素，雖然X射線能譜儀測(cè)碳的準(zhǔn)確度不高，相對(duì)而言，白色塊顆粒比珠光體區(qū)域的碳含量要高，可以認(rèn)為白色塊顆粒是含Cr的碳化物(見圖17和表2)。圖18與圖19為正?；w組織區(qū)域與表層異常組織區(qū)域的譜圖比較，可以見出，兩相的鉻含量基本相同，而表層異常組織區(qū)域的碳含量比較高，這說明表層異常組織區(qū)域?yàn)樵鎏紖^(qū)域。

圖16 裂縫內(nèi)存在的灰色物質(zhì)為氧化鐵

圖17 表層異常組織區(qū)域內(nèi)白色塊顆粒為碳化物

圖18 表層異常組織區(qū)域測(cè)定范圍

圖19 基體組織區(qū)域測(cè)定范圍

表2 X射線能譜儀分析結(jié)果

2 分析與討論

根據(jù)上述分析檢測(cè)結(jié)果可知，55SiCr鋼熱軋盤條表層存在沿縱向的帶狀異常組織區(qū)域，異常組織區(qū)域其組織為珠光體+眾多不規(guī)則塊狀碳化物，并且碳化物為含Cr較高的碳化物；表明盤條表層異常組織區(qū)域?yàn)樵鎏紖^(qū)域，而盤條表層增碳區(qū)域來自其鑄坯表面局部增碳。

正常情況下,鑄坯表面及皮下的成分與基體基本一致。但在少數(shù)情況下,也會(huì)出現(xiàn)鑄坯表面增碳的情況。為了控制保護(hù)渣的熔化速度和保溫性能，保護(hù)渣中通常都要進(jìn)行配碳。碳類材料以碳黑、石墨或焦粉的形式加入。保護(hù)渣熔化過程中，在熔渣層和燒結(jié)層之間存在一個(gè)富碳層,使接近彎月面處的固態(tài)渣圈有碳的富集。一方面,當(dāng)鋼液面上升時(shí),富碳層進(jìn)入結(jié)晶器與鑄坯之間,使富碳層中的碳向鑄坯表面滲透；另一方面,當(dāng)結(jié)晶器液面波動(dòng)過大時(shí),保護(hù)渣富碳層與鋼水直接接觸或卷入,造成結(jié)晶器內(nèi)的鋼水增碳,而這部分鋼水凝固后就形成了鑄坯局部表面增碳區(qū)域[3]。保護(hù)渣碳含量越髙、結(jié)晶器液面波動(dòng)越大,就越容易引起增碳；保護(hù)渣碳的活性度越高,增碳的可能性越大。

55SiCr鋼熱軋盤條表面異常組織區(qū)域?yàn)橹楣怏w和眾多不規(guī)則塊狀碳化物的混合組織，并且碳化物為含Cr較高的碳化物；而正?；w組織為珠光體和少量鐵素體。碳化物與珠光體相比硬度高、塑性差，在拉拔過程中由于白色碳化物與基體組織變形能力不一致，在白色碳化物處形成應(yīng)力集中，從而碳化物與基體組織之間的界面被撕裂，形成微裂紋[4-5]。并在后續(xù)的矯直過程中，微裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致盤條斷裂。

表面存在異常組織區(qū)域的55SiCr鋼熱軋盤條經(jīng)淬火回火后，盤條基體組織變?yōu)榛鼗鹎象w，而其表面條帶狀異常組織區(qū)域在淬火時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榇执篑R氏體和大量的殘余奧氏體，因該殘余奧氏體含有較高的Cr，其回火穩(wěn)定性好；而彈簧鋼棒淬火回火采用的感應(yīng)加熱、冷卻的通過式連續(xù)淬回火工藝，回火時(shí)的保溫時(shí)間非常短，致使異常組織區(qū)域的大量殘余奧氏體中，僅有一部分在回火時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，另有部分殘余奧氏體保留在回火后的組織中，使我們?cè)跀嗔训拇慊鼗痄摪羯先阅軝z驗(yàn)到一定量的殘余奧氏體。由于彈簧鋼棒表面異常組織區(qū)域在淬火回火后的組織為回火馬氏體+回火屈氏體+殘余奧氏體及少量碳化物，其硬度高、脆性大，在卷簧時(shí)若表面異常組織區(qū)域正好處于彈簧外圓表面，受到較大拉應(yīng)力作用，便易在此處生成橫向裂紋，最終導(dǎo)致彈簧斷裂。

3 結(jié) 語

(1) 55SiCr鋼熱軋盤條表面存在局部增碳，使盤條表面層產(chǎn)生沿縱向的帶狀異常組織區(qū)域，生產(chǎn)了含有大量條塊狀的碳化物的異常組織，拉拔變形過程中，塊狀碳化物處出現(xiàn)應(yīng)力集中易形成細(xì)小裂紋，進(jìn)而在矯直時(shí)產(chǎn)生以細(xì)小裂紋為源的斷裂。

(2)彈簧鋼棒表面異常組織區(qū)域在淬火回火后的組織為回火馬氏體+回火屈氏體+殘余奧氏體及少量碳化物，其硬度高、脆性大，在卷簧時(shí)，若表面異常組織區(qū)域正好處于彈簧外圓表面，受到較大拉應(yīng)力作用，便易在此處生成橫向裂紋，最終導(dǎo)致彈簧斷裂。

(3)解決鑄坯表面增碳,應(yīng)在連鑄時(shí)應(yīng)使結(jié)晶器液面盡量穩(wěn)定,保護(hù)渣加入應(yīng)盡可能提早、杜絕紅渣操作、及時(shí)撈岀渣圈。在可能的情況下選用低碳或無碳保護(hù)渣、低活性碳保護(hù)渣。