高碳鋼盤條拉拔橫向裂紋原因分析與控制

劉偉，徐龍慶，李維

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，天津300031）

高碳鋼盤條拉拔橫向裂紋原因分析與控制

劉偉，徐龍慶，李維

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，天津300031）

針對(duì)高碳鋼盤條表面原生裂紋、組織異常引起的拉拔橫向裂紋，以及拉拔工藝問(wèn)題引起的拉拔橫裂，分了其裂紋形貌和形成機(jī)理，提出了相應(yīng)的控制措施，為工藝優(yōu)化和產(chǎn)品質(zhì)量控制提供了參考。

盤條；橫向裂紋；組織；拉拔

1　引言

高碳鋼盤條作為一種重要的結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絲和鋼絞線［1］。近年來(lái)，在相繼引進(jìn)了多條國(guó)外先進(jìn)的高速線材生產(chǎn)線的條件下，我國(guó)高碳鋼盤條生產(chǎn)、工藝和技術(shù)不斷優(yōu)化，在通條性能、索氏體化率、表面質(zhì)量和尺寸精度等方面都有大幅提高。但高碳鋼拉拔斷裂依然是盤條生產(chǎn)廠家和下游用戶所要面對(duì)的較為嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題，該情況在冬季表現(xiàn)尤為突出。影響高碳鋼拉拔斷裂的因素有很多，如盤條組織、性能均勻性、夾雜物、表面質(zhì)量、拉拔工藝、焊接工藝等，呈現(xiàn)斷口形式也多種多樣，有尖窩狀、劈裂狀、斜茬狀等。本文主要對(duì)盤條在拉拔過(guò)程中產(chǎn)生的表面橫裂紋進(jìn)行分析。

高碳鋼盤條表面橫向裂紋產(chǎn)生原因主要有以下幾種：盤條表面原生橫向裂紋、組織異常引起的拉拔橫向裂紋和拉拔工藝問(wèn)題引起的橫向裂紋。本文將主要針對(duì)上述幾種情況進(jìn)行分析。

2　盤條表面原生裂紋及控制

2.1裂紋形貌及產(chǎn)生原因分析

盤條原生裂紋是指盤條本身所攜帶的，在下線檢驗(yàn)過(guò)程中未被發(fā)現(xiàn)的裂紋。該裂紋一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就比較嚴(yán)重，容易形成拉拔橫裂或拉拔斷裂，斷裂也往往發(fā)生在拉拔的前幾道次，有時(shí)甚至在放線架放線過(guò)程，該裂紋可對(duì)鋼絲的力學(xué)性能造成毀滅性打擊。

原生裂紋產(chǎn)生原因主要有以下兩種：一是盤條在軋制過(guò)程中因連鑄坯質(zhì)量問(wèn)題或高線軋制問(wèn)題而產(chǎn)生的表面折疊，折疊造成盤條表層和內(nèi)部基體相分離，在拉拔受力過(guò)程中表層與基體因變形不連續(xù)而引起橫向裂紋；二是盤條在下線或倒運(yùn)過(guò)程中造成表面擦傷，擦傷處產(chǎn)生大量微觀裂紋，該裂紋在扭力的作用下引起斷裂。原生橫向裂紋宏觀形貌如圖1、圖2所示。

對(duì)折疊缺陷進(jìn)行微觀組織觀察，折疊裂紋兩側(cè)組織均存在明顯的脫碳現(xiàn)象，遠(yuǎn)離裂紋處組織正常，如圖3所示。對(duì)擦傷缺陷進(jìn)行微觀組織觀察，擦傷處表層組織呈現(xiàn)明顯的白亮色，組織內(nèi)部有多處微裂紋，而內(nèi)部組織為正常的索氏體組織，如圖4所示。兩種缺陷均造成了盤條組織連續(xù)性，在變形過(guò)程中進(jìn)一步加劇了裂紋的產(chǎn)生。

2.2折疊形成原因分析

圖1　折疊宏觀形貌

圖2　擦傷宏觀形貌

圖3　折疊金相組織

圖4　擦傷金相組織

折疊是線材表面沿軋制方向平直或彎曲的細(xì)線，通常與盤條表面呈某一角度分布，很長(zhǎng)且形狀相似。有時(shí)以兩條平行線的形態(tài)出現(xiàn)。折疊兩側(cè)伴有脫碳層或部分脫碳層，折縫中間常存在氧化鐵夾雜。

（1）前道次的耳子及其他縱向凸起物折倒軋入本體所造成，軋制后形成折疊。

（2）導(dǎo)衛(wèi)板安裝不當(dāng)，有棱角或粘有鐵皮使軋件產(chǎn)生劃痕，軋制后形成折疊。

（3）材料缺陷，如長(zhǎng)形縮孔、偏析、外部夾雜等，這些缺陷阻礙材料正常形變行為時(shí)，形成折疊。

2.3控制及改進(jìn)措施

（1）嚴(yán)格控制連鑄坯質(zhì)量，避免疏松、縮孔、皮下氣泡和角部裂紋的產(chǎn)生。

（2）軋制時(shí)嚴(yán)格控制紅坯尺寸、道次壓下量，避免孔型過(guò)充滿或欠充滿；定期檢查軋線情況，確保導(dǎo)衛(wèi)、軋輥對(duì)中。

（3）下線倒運(yùn)過(guò)程采取切實(shí)可行的保護(hù)措施，如盤條表面包裝、加裝打包保護(hù)墊、叉車隔墊、輕吊輕放、避免盤條擦傷。

3　組織異常引起的拉拔橫裂及控制

3.1裂紋形貌及產(chǎn)生原因分析

裂紋形貌如圖5所示，從圖中可以看出，過(guò)程線顏色正常，無(wú)機(jī)械摩擦的白亮色，斷口形貌為劈裂狀，斷裂源發(fā)生在表面，斷口源處有一明顯橫向脆斷特征。刨切后的金相組織如圖6所示。從圖6可以看出，距表層約0.2 mm處有一黑色區(qū)域，其碳含量較高，為局部增碳所致，增碳區(qū)內(nèi)組織為白色塊狀碳化物和珠光體，并含有一定量的網(wǎng)狀碳化物。在拉拔變形過(guò)程中，白色塊狀碳化物和網(wǎng)狀碳化物不變性，而正常組織變形后呈纖維狀，因此，兩種不同的組織造成了變形的不連續(xù)。在拉拔應(yīng)力作用下，網(wǎng)狀和塊狀區(qū)域的組織邊沿首先滑移形成纖維孔洞，使變形無(wú)法深入，隨著拉拔變形量增加，孔洞擴(kuò)展形成橫向裂紋［2］。

圖5　斷口宏觀形貌

3.2增碳機(jī)理及原因分析

在連鑄過(guò)程中，保護(hù)渣在結(jié)晶器中的鋼液表面會(huì)形成三層結(jié)構(gòu)：固渣層、熔渣層、液渣層。保護(hù)渣中的碳進(jìn)入結(jié)晶器后其去向有以下幾個(gè)方面：

（1）一部分碳與空氣中的氧氣發(fā)應(yīng)生成二氧化碳進(jìn)入大氣中。

圖6　增碳區(qū)組織

（2）另一部分碳隨固液并存的熔渣層下沉，由于不容易與熔渣浸潤(rùn)而從熔渣層中分離出來(lái)，集中在液渣周圍的界面上，其中一部分碳在缺氧的條件下與渣中的金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)而被消耗。剩余的部分碳，因其密度比液渣小而不斷上浮熔渣層和液渣層的界面上，從而在液渣層上方形成了很薄但碳含量很高的富碳層，其碳含量最高可達(dá)保護(hù)渣中原始碳含量的5倍左右［3］。富碳層不僅碳含量高，而且具有非燒結(jié)特性，很容易鋼水混合。根據(jù)其反應(yīng)式（1）可得，當(dāng)T=1 873 K時(shí)，ΔGθ=-56 563 J/mol＜0，碳在高溫下易溶于鋼液中。

C（石墨）=［C］

由于富碳層與結(jié)晶器彎月面處鋼液距離很近，一旦結(jié)晶器液面波動(dòng)較大，很容易將其卷入鋼液中，并存在于鑄坯表面。該富碳層在軋制加熱過(guò)程中無(wú)法消除，軋制后在盤條局部形成富碳區(qū)異常組織。

3.3控制及改進(jìn)措施

正常的高碳預(yù)應(yīng)力盤條組織應(yīng)為易于拉拔的索氏體，但是如果盤條中存在成分偏析、控冷異常等，極易造成組織異常，如形成網(wǎng)狀滲碳體或馬氏體，嚴(yán)重時(shí)形成萊氏體，造成拉拔斷裂，因此應(yīng)對(duì)盤條組織進(jìn)行嚴(yán)格控制。

（1）連鑄時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制拉速和冷度，加強(qiáng)電磁攪拌功能，減輕鑄坯成分偏析；澆鑄時(shí)保持適當(dāng)且穩(wěn)定的過(guò)冷度，保持鋼水液面穩(wěn)定，避免液面大起大落造成卷渣。

（2）軋制控冷時(shí)設(shè)置合理的控冷參數(shù)，禁止風(fēng)冷滾動(dòng)爬行。

4　拉拔工藝問(wèn)題引起的橫裂及控制

4.1裂紋形貌及產(chǎn)生原因分析

拉拔工藝問(wèn)題引起的橫向裂紋特征比較明顯，首先過(guò)程線表面有明顯的“白亮”機(jī)械摩擦光澤，其次裂紋一般連續(xù)分布，持續(xù)較長(zhǎng)，表面裂紋靠心部一側(cè)組織有較強(qiáng)烈的變形，如圖7所示。微觀觀察過(guò)程線表面有一層白亮硬脆組織，如圖8所示。該白亮硬脆組織與基體變形不均，導(dǎo)致基體與硬脆組織連接處撕裂，在進(jìn)一步拉拔中硬脆組織被壓入基體，產(chǎn)生裂紋而最終斷裂，該組織為拉拔時(shí)過(guò)程線表面溫度迅速升高后降溫過(guò)程中形成。

圖7　拉拔橫裂宏觀形貌

圖8　拉拔橫裂金相組織

4.2拉拔橫裂產(chǎn)生原因分析［4］

（1）拉拔條件惡劣引起的橫裂。盤條表面磷化較差，潤(rùn)滑不良，線材失去潤(rùn)滑載體，導(dǎo)致鋼基體直接與模具摩擦，拉拔穩(wěn)定驟升造成鋼絲表面被破壞而產(chǎn)生橫裂。

（2）盤條欠酸洗引起拉拔橫裂。盤條欠酸洗，氧化鐵皮未被除凈，使得部分磷化膜未附著在鋼基體而是附著在氧化鐵皮上，帶有氧化鐵皮的部分在拉拔時(shí)被嵌入鋼基體，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的失效后以橫裂的形式表露出來(lái)，同時(shí)氧化鐵皮帶入加劇了拉拔模具的老化，進(jìn)一步導(dǎo)致拉拔橫裂的產(chǎn)生。

（3）模具安放不正引起拉拔橫裂。模具安放不正使鋼絲與罐體呈相隔、相離或偏上、偏下的關(guān)系，使鋼絲與模具之間承受徑向力，導(dǎo)致拉拔橫裂。

（4）盤條頭部耳子或折疊引起拉拔橫裂，該種裂紋前期不易被發(fā)現(xiàn)，后期發(fā)現(xiàn)后可對(duì)鋼絲的力學(xué)性能造成毀滅性影響，因此，該缺陷應(yīng)盡量避免。

4.3控制及改進(jìn)措施

（1）盤條表面酸洗均勻、徹底，磷化層厚度均勻，確保盤條表面潤(rùn)滑狀態(tài)良好。

（2）模具安裝過(guò)程中，確保模具安放對(duì)中，防止鋼絲與模具中心線偏離。

（3）及時(shí)檢查生產(chǎn)線，檢查設(shè)備使用情況和冷卻水情況，定期更換模具，防止老化。

5　結(jié)論

通過(guò)對(duì)拉拔條件分析和拉拔斷裂試樣的檢測(cè)分析，找出了引起盤條表面拉拔橫裂的原因，并提出了改進(jìn)措施。

盤條表面存在原生裂紋（折疊或擦傷），細(xì)小的折疊或擦傷在拉拔過(guò)程被碾在鋼的基體上，在拉拔過(guò)程受力不均的情況下，碾在基體上的小塊逐漸被釋放出來(lái)，而呈現(xiàn)出一側(cè)或兩側(cè)的橫裂紋，若折疊或擦傷嚴(yán)重時(shí)，將直接導(dǎo)致盤條斷裂。

連鑄坯澆注過(guò)程中，因保護(hù)渣卷入而局部增碳，引起盤條組織異常，破壞變形連續(xù)性，導(dǎo)致拉拔橫向裂紋產(chǎn)生。

模具老化、潤(rùn)滑和冷卻不良以及拉絲工藝選擇不當(dāng)都可能造成拉拔橫向裂紋。

［1］李文琴.預(yù)應(yīng)力鋼絲斷裂原因分析［J］.金屬制品，2001，27（4）：36-37.

［2］雍治文.SWRH82B盤條拉拔橫裂紋分析［J］.金屬制品，2009，35（1）：44-46.

［3］李殿明，紹明天，楊憲禮，等.連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣應(yīng)用技術(shù)［M］.沈陽(yáng)：冶金工業(yè)出版社，2008.

［4］郭志民.PC鋼絲拉拔叫模及橫裂原因分析［J］.金屬制品，2000，26（2）：17-19.

Cause Analysis and Control over Transverse Draw ing Crack of High Carbon W ire Rod

LIUWei，XU Long-qing and LIWei
（Technology Center of Tianjin Iron and Steel Group Co.，Ltd.，Tianjin 300301，China）

Aiming at transverse drawing crack caused by original surface crack and abnormal structure and by drawing process at high carbon wire rod，the author analyze themorphology and formation mechanism of the crack and put forward relevant controlmeasures，providing reference for process optimization and product quality control.

wire rod；transverse crack；structure；drawing

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.04.008

2016-03-07

2016-04-07

劉偉（1984—），男，河北人，碩士，主要從事連鑄方面的研究工作。