65高碳鋼盤條筆尖狀斷口失效機理研究

孫福猛+林晏民+謝素霞

摘 要：研究分析了65高碳鋼盤條拉拔異常斷口，斷口的宏觀形貌呈筆尖狀。對其斷口表面和樣品縱截面及母材橫截面分別進行了掃描電鏡及金相觀察。實驗認為心部有碳偏析存在，是造成筆尖狀斷口的主要原因。

關(guān)鍵詞：盤條；筆尖狀斷口；碳偏析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.007

0 前言

65鋼盤條具有高強度、高硬度、耐磨性等優(yōu)異的性能，因此廣泛用于鋼釘、鋼絲繩、鋼絞線、膠管鋼絲、胎圈鋼絲、彈簧鋼絲等的原料。盤條在拉拔過程中常出現(xiàn)斷線、斷絲的現(xiàn)象，嚴重時使生產(chǎn)無法進行，對產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率帶來嚴重影響。盤條在拉拔過程中斷絲與其表面缺陷、心部偏析和內(nèi)部組織不正常有關(guān)。國內(nèi)某線材廠使用的65鋼在拉拔加工成鋼絲過程中發(fā)生斷裂，斷口呈筆尖狀形貌。此鋼的工藝流程為：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF爐精煉→方坯連鑄→鑄坯熱送→加熱爐→高線控軋控冷→精整。本文通過對此拉拔異常斷口進行分析，探討其形成的原因。

1 實驗

從二次加工生產(chǎn)企業(yè)取回同一批次不同冷拉拔程度斷裂的65高碳鋼試樣，拉拔程度分別為3.50mm、4.70mm、5.75mm筆尖狀斷口試樣各1支及母材試樣1支。檢測步驟如下：

（1）先對宏觀斷口型貌進行觀察，然后用金相精密切割機分別切下不同拉拔程度的三個試樣斷口，進行掃描電鏡觀察。

（2）對每個試樣不同位置切取縱截面3個，通過粗磨、細磨、拋光、4%硝酸酒精溶液腐蝕后在光學(xué)顯微鏡下觀察拉拔情況，獲取有關(guān)拉拔過程信息。

（3）對母材的橫截面進行金相檢測。

1.1 斷口宏觀形態(tài)

筆尖狀斷裂試樣典型斷口宏觀形貌如圖1，1號試樣拉拔程度為3.50mm，2號試樣拉拔程度為4.70mm，3號試樣拉拔程度為5.75mm，3支試樣斷口都呈明顯的筆尖型，從試樣邊緣向心部凸起，且鋼材表面沒有明顯缺陷，因此拉拔斷裂原因初步推斷為斷口由心部向外擴展斷裂[1]。

1.2 掃描電鏡檢測

采用KYKY-3800型掃描電鏡對1號、2號、3號試樣斷口進行高倍觀察，斷口處微觀形貌見圖2、圖3、圖4。從圖片可以看出試樣表面的撕裂嶺呈波浪狀從心部向外擴散，判斷裂紋源于心部。

1.3 金相檢測

（1）在每個筆尖狀斷口試樣不同位置取3個小段分析其縱截面金相，分析結(jié)果如表1。每個試樣裂紋形態(tài)如圖5、圖6、圖7所示：

1號到3號所有縱截面試樣呈現(xiàn)不同程度的從外部到心部的不均勻變形。 1號2號試樣用光學(xué)顯微鏡觀察縱向型貌，在心部發(fā)現(xiàn)裂紋從心部中間位置開始產(chǎn)生，向邊部擴展，呈“V”字型。3號試樣只有中心一個小裂紋平臺，且裂紋有V字型發(fā)展的趨勢，即3號試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)是比較接近試樣拉拔前的起始形態(tài)。

（2）對母材橫截面試樣拋光后用光學(xué)顯微鏡進行金相檢測，在100X條件下觀察，心部有明顯碳偏析存在如圖8。

2 結(jié)果分析

拉拔的外部到心部的不均勻變形是周期性 V形裂紋產(chǎn)生的外在原因。母材心部有碳偏析存在，其心部的塑性較差，試樣心部會更易先產(chǎn)生裂紋是V形裂紋產(chǎn)生的內(nèi)在原因。在拉拔過程中表層金屬變形量大， 心部塑性較差變形量小，當(dāng)拉拔變形到一定程度，表面變形大過試樣心部變形，外表面對心部產(chǎn)生拉應(yīng)力，加上試樣心部原來所受拉拔應(yīng)力，當(dāng)心部所受的拉應(yīng)力大于其抗拉能力時，心部產(chǎn)生裂紋。由3號試樣縱截面圖可確定，試樣的裂紋起源于試樣心部。心部裂開以后，靠近心部的組織受力變大，應(yīng)力集中[2]，裂紋由心部向邊緣擴展，一邊受力一邊變形，只能以中心裂紋的形成來達到力的平衡和速度場的變化，即形成了V字型裂紋直至斷裂，最后形成筆尖狀斷口。

導(dǎo)致中心偏析的直接原因可能是由連鑄方坯帶來的影響，方坯在結(jié)晶器結(jié)晶過程中同時向外移動，因內(nèi)外冷卻梯度的影響，中心液體溶質(zhì)較高， 隨著凝固的進行， 中心液體越來越少并成糊狀， 失去流動性， 同時富集溶質(zhì)的殘余液體沿枝晶間流動，凝固后形成中心偏析[3]。

3 改進措施及效果

由于65鋼心部出現(xiàn)碳偏析是造成筆尖狀斷口形成的主要原因，因此在工藝上應(yīng)抑制心部碳偏析為主。特此采取了以下措施：

（1）在連鑄結(jié)晶器和凝固末端區(qū)采用電磁攪拌[4]，中包過熱度控制在35℃以內(nèi)進行澆注，降低鑄坯的中心碳偏析。

（2）為抑制心部碳偏析，在65鋼化學(xué)成分一致的情況下，應(yīng)適當(dāng)提高鋼水結(jié)晶過程中的冷卻速度，拉速控制在（2.0±1）m/min，使結(jié)晶盡快完成，減少碳偏析形成。

通過改進后，在100X條件下觀察，母材中心偏析得到緩解，如圖9。65高碳鋼拉拔性能得到了明顯的改善，改進后一年內(nèi)客戶關(guān)于拉拔斷筆尖狀斷口的質(zhì)量異議起數(shù)為零起，滿足客戶的使用要求。

4 結(jié)論

65高碳盤條拉拔斷裂形成筆尖狀斷口的原因是方坯在結(jié)晶器結(jié)晶過程中心部形成碳偏析。線材中心偏析，心部塑性較差，客戶拉拔過程中早期心部產(chǎn)生裂紋，裂紋在力的作用下擴展斷裂，導(dǎo)致形成筆尖狀斷裂。

參考文獻：

[1]石敏，祝俊飛，劉鳶杰.65鋼拉拔筆尖狀斷裂原因分析[C].方大特鋼科技股份有限公司.南昌.第九屆中國鋼鐵年會文集，2013：1-4.

[2]李靜宇，蘇白蘭，張振申.高碳盤條拉拔斷口分析[J].金屬制品，2005（05）：46-47.

[3]杜立超，王忠偉，張華東等.SWRH82B盤條質(zhì)量引起的斷裂問題分析 [J].金屬制品，2010（05）：62-65.

[4]李祥才.60鋼線材拉拔斷裂原因分析[J].金屬制品，2004 （02）：29-30.

作者簡介：孫福猛（1990-），男，內(nèi)蒙古赤峰人，蒙古族，本科，金屬材料助理工程師，研究方向：金屬材料與熱處理。