65鋼拉簧斷裂原因分析及改進措施

羅新中 林晏民 曾虎

(寶鋼集團韶關鋼鐵有限公司質量檢測中心)

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、鋼絞線等產品。由于高碳盤條鋼在后續加工過程中要經過多次拉拔、彎曲、扭轉，因此要求高碳盤條要具有良好的拉拔性能，成分均勻穩定，嚴格控制鋼中的夾雜物，金相組織以索氏體為主、脫碳少，盡量避免出現馬氏體、先共析鐵素體、網狀滲碳體等組織，盤條表面質量和外形尺寸好、通條性能穩定。

65 鋼的主要生產流程為:鐵水→轉爐→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斷裂，為此對拉簧斷裂試樣進行化學成分、金相組織、夾雜物。力學性能、掃描電鏡等分析。

1 實驗研究

分別取65 鋼拉簧斷裂的試樣及拉拔前的母材進行實驗研究。

1．1 化學成分

對斷裂試樣及其母材分別進行化學成分檢測，檢測結果見表1。由表1 可以看出，斷裂試樣和母材的化學成分相差不大，且均在GB/T699 控制范圍內，符合標準要求。

1．2 力學性能

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

表1 化學成分檢測結果 wt/%

表2 力學性能試驗結果

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

1．3 非金屬夾雜物

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

表3 夾雜物結果

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

對斷裂試樣及母材進行金相組織檢驗，金相試樣用3．5%的硝酸酒精溶液進行浸蝕。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

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行微區成分分析。在較低倍數下觀察斷口形貌，發現斷口裂紋起源于彎曲方向的外側，然后向內側擴展(如圖3 所示)。對裂紋源側面進行電鏡掃描，發現裂紋源比較平整，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

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

圖5 裂紋源處化學成分

2 結果分析及改進措施

從實驗結果可知，65 鋼的化學成分、力學性能及非金屬夾雜物均達到國標要求。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 電鏡及能譜檢驗結果分析

從電鏡掃描及能譜檢驗結果可知，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展形成的，最終導致拉簧斷裂。微裂紋內部的化學成分含有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渣的卷入有關。連鑄過程中有中間包保護渣，結晶器保護渣和覆蓋劑等，最有可能的是結晶器保護渣的卷入。

在澆鑄過程中，如果結晶器鋼水液面不平穩，則保護渣在熔化過程中和鋼水直接接觸，從而被卷入鋼水內部，進一步凝固在鋼坯的近表面［1］。保護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性，阻礙了材料的變形，導致變形應力首先在此處集中，在持續外力作用下形成微裂紋，裂紋不斷擴展，最終導致材料在彎曲成彈簧時發生斷裂［2］。

2．2 金相組織結果分析

從金相檢測結果可以看出，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，這是因為母材經過拉拔組織片間距變小，從而表現出索氏體形貌。

高碳盤條鋼的索氏體化率雖然沒有明確規定，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，強度增高，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力與索氏體不一樣，容易引起應力集中。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，從而導致材料在拉簧過程中發生斷裂。

2．3 改進措施

2．3．1 連鑄工藝優化措施

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

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

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

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

2．3．2 控冷工藝優化措施

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造成的。優化控軋控冷的主要措施有:

1)增加吐絲后至索氏體等溫轉變前的冷卻速度，打開所有風機強迫風冷，使冷卻速度達到12 ℃/s ～15 ℃/s，避免先共析鐵素體的析出;

2)在索氏體轉變溫度范圍進行保溫，索氏體實際組織轉變溫度為620 ℃～500 ℃，在此溫度范圍內增加保溫罩，盡可能的為索氏體等溫轉變創造條件。

3 結論

連鑄過程中保護渣的卷入在拉拔時形成表面微裂紋，這是導致65 鋼拉簧斷裂的主要原因，軋制過程中控軋控冷不當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］崔發明．高碳鋼絲扭轉斷裂原因分析［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 鋼控冷技術試驗研究［J］．新疆鋼鐵，2004，3:2 －3．