60Si2MnA盤條繞簧斷裂原因分析

余 超， 王曉蘭， 陸旭霞， 郭 愚

(江蘇永鋼集團(tuán)有限公司，江蘇 張家港 215628)

引 言

60Si2MnA為Si-Mn系合金彈簧鋼，是中國用量較大、用途廣泛的彈簧鋼品種，主要用于制造鐵道車輛、汽車拖拉機(jī)、工業(yè)上承受較大負(fù)荷的扁形彈簧或直徑≤25 mm的螺旋彈簧[1]。其生產(chǎn)過程的工藝條件比較苛刻，既要控制連鑄坯的偏析、非金屬夾雜物、表面質(zhì)量，又要嚴(yán)控軋制過程的脫碳、表面缺陷和顯微組織，同時(shí)，在成品盤條的運(yùn)輸和吊裝過程中也要防止盤條表面損傷，生產(chǎn)組織的難度非常大。

江蘇永鋼集團(tuán)有限公司(以下簡稱“永鋼”)近兩年逐步開發(fā)彈簧鋼產(chǎn)品，規(guī)格為Φ5.5～15 mm，開發(fā)初期，一些用戶反饋盤條在繞簧過程中出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象，給用戶生產(chǎn)帶來一定影響。一般而言，彈簧在疲勞試驗(yàn)或后續(xù)使用過程中易發(fā)生疲勞斷裂失效，但在繞簧過程中出現(xiàn)斷裂的情況極少。為找出斷裂原因，提高永鋼彈簧鋼品質(zhì)，收集用戶使用過程中斷裂失效試樣進(jìn)行分析，查明了60Si2MnA盤條繞簧斷裂的主要原因，并根據(jù)分析結(jié)果，制訂了解決繞簧斷裂的工藝方案，取得了良好效果。

1 盤條及彈簧生產(chǎn)工藝

1.1 永鋼60Si2MnA盤條生產(chǎn)工藝

轉(zhuǎn)爐冶煉→LF爐精煉→VD爐→160 mm×160 mm小方坯連鑄→表面修磨→步進(jìn)式加熱爐→高線軋制→斯太爾摩冷卻線→成品集卷→檢驗(yàn)→塑料袋包裝→運(yùn)輸發(fā)貨。

1.2 下游用戶彈簧生產(chǎn)工藝

盤條→表面處理(酸洗或機(jī)械剝殼)→磷化→皂化→拉拔(減徑2～3mm)→感應(yīng)加熱→淬火→回火→水冷→涂油→收線→繞簧→回火→磨簧→噴丸→熱強(qiáng)壓→水冷→分選→上漆→包裝入庫。

2 繞簧斷裂原因分析

導(dǎo)致鋼絲生產(chǎn)過程中出現(xiàn)斷裂的原因大致可分為線材本身的質(zhì)量因素和拉拔過程因素兩類[2]。觀察繞簧斷裂試樣，發(fā)現(xiàn)斷裂源均在樣品表面，通過分析斷口形貌和金相組織并結(jié)合生產(chǎn)工藝，認(rèn)為致使彈簧繞簧斷裂的原因主要有三個(gè)方面：盤條表面脫碳、原始表面缺陷和表面的機(jī)械損傷，下面逐一進(jìn)行分析。

2.1 表面脫碳引起的斷裂

用戶使用永鋼Φ14 mm規(guī)格的60Si2MnA盤條，經(jīng)正常工藝?yán)魏蜔崽幚砗罄@簧頻繁出現(xiàn)斷裂，樣品宏觀形貌如圖1所示。觀察多對斷口，斷裂源均位于彈簧表面外側(cè)，且裂紋源附近表面光滑，未見明顯的宏觀缺陷。

圖1 Φ14 mm樣品宏觀形貌

在圖1(b)劃線位置取樣品橫截面，直接磨削斷面至斷裂源位置觀察金相形貌，斷裂源處未見冶金缺陷，如圖2(a)所示。用4%硝酸酒精浸蝕后發(fā)現(xiàn)，斷裂源對應(yīng)表面有局部全脫碳特征，圓周長度近0.4 mm，深度約0.04 mm，其他部位未見明顯脫碳，基體組織為回火屈氏體，如圖2(b),(c)所示。

全脫碳會(huì)導(dǎo)致彈簧鋼絲表面局部淬不上火，造成局部強(qiáng)度明顯低于內(nèi)部正常組織，由于在后道淬火工序中，表面脫碳層達(dá)不到所要求的硬度及力學(xué)強(qiáng)度，在交變應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生裂紋[3]。在繞簧的過程中，全脫碳部位若正好位于彈簧的外側(cè)表面，且脫碳范圍較大時(shí)，外側(cè)表面的巨大拉應(yīng)力會(huì)使表面脫碳部位率先形成微裂紋，并導(dǎo)致最終的斷簧。因脫碳會(huì)顯著降低彈簧疲勞壽命，即使繞簧時(shí)未發(fā)生斷裂，在后續(xù)的疲勞試驗(yàn)或使用過程中也會(huì)發(fā)生早期失效。

圖2 斷裂源處橫截面金相形貌

2.2 原始表面缺陷引起的斷裂

用戶使用永鋼Φ15 mm規(guī)格60Si2MnA盤條，正常繞簧時(shí)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，樣品宏觀形貌如圖3所示。觀察5個(gè)斷口，有4個(gè)樣品斷裂形貌類似，斷裂源位于彈簧外表面，斷裂源一側(cè)表面存在肉眼可見的缺陷，如圖3(b),(c)所示。在體視顯微鏡下觀察，表面缺陷間斷出現(xiàn)，無明顯規(guī)律，形貌類似于原始盤條表面“折疊”或“翹皮”缺陷。

圖3 Φ15 mm樣品宏觀形貌

圖4 裂紋源處橫截面金相形貌

在圖3(c)劃線位置取樣品橫截面，金相形貌如圖4所示。缺陷呈“V”形裂紋形貌向基體延伸，深度約為0.09 mm，未見其它冶金缺陷，如圖4(a)所示；用4%硝酸酒精浸蝕后觀察，裂紋兩側(cè)存在全脫碳特征，其他位置未見明顯脫碳，如圖4(b),(c)所示。

結(jié)合缺陷宏觀和微觀形貌判斷，引起此次繞簧斷裂的原因?yàn)楸P條表面“翹皮”缺陷。從缺陷的特征可見，該缺陷是軋材本身的原始缺陷，是鋼坯表面存在缺陷軋制時(shí)無法消除或軋合，盤條表面就形成此類不連續(xù)的點(diǎn)狀、鋸齒狀缺陷。這類缺陷破壞了基體的完整性，在繞簧時(shí)的拉應(yīng)力作用下，缺陷成為斷裂源并進(jìn)一步擴(kuò)展導(dǎo)致斷簧。

2.3 機(jī)械損傷引起的斷裂

用戶使用永鋼Φ10 mm規(guī)格60Si2MnA盤條，盤條不經(jīng)表面處理、拉拔和熱處理等工序直接繞簧，樣品形貌如圖5所示。觀察斷面可知，斷裂源也位于彈簧表面外側(cè)，斷裂源一側(cè)表面毛糙，表面金屬出現(xiàn)了橫向變形，有明顯挫傷痕跡，如圖5(b),(c)所示。

在圖5(c)劃線位置取樣品縱截面，金相形貌如圖6所示。表面缺陷處存在大量向基體內(nèi)部延伸的細(xì)小裂紋，局部有氧化鐵皮殘留，如圖6(a),(b)所示。用4%硝酸酒精浸蝕后發(fā)現(xiàn)，表面缺陷處為加工硬化組織，未見脫碳現(xiàn)象，基體組織為珠光體+鐵素體。

從缺陷的宏觀和微觀形貌來看，導(dǎo)致此次繞簧斷裂的原因?yàn)楸P條表面存在機(jī)械損傷缺陷。這種缺陷一般產(chǎn)生于盤條的運(yùn)輸和吊裝過程中，包括擦傷、刮傷、擠壓等，盤條表面可見明顯的破損痕跡，且會(huì)出現(xiàn)加工硬化組織，在后續(xù)的拉拔或繞簧時(shí)，極易在缺陷部位發(fā)生斷裂。另外，用戶不經(jīng)其他工序而直接將盤條進(jìn)行繞簧，也會(huì)對彈簧制作過程產(chǎn)生不利影響。

圖5 Φ10 mm樣品宏觀形貌

圖6 裂紋源處縱截面金相形貌

3 表面脫碳機(jī)理分析

3.1 脫碳機(jī)制

脫碳一般是在高溫時(shí)產(chǎn)生，包括碳原子從鋼材內(nèi)部向表面擴(kuò)散及其在鋼材表面與爐氣中的氧化性氣體發(fā)生反應(yīng)兩個(gè)過程。從碳的擴(kuò)散角度來看 ,脫碳層厚度主要取決于鋼中含碳量與爐氣碳勢的差異 ，當(dāng)爐氣的碳勢低于鋼中含碳量時(shí) ，鋼表面碳原子與爐氣發(fā)生反應(yīng) ，生成的含碳?xì)怏w離開鋼表面 ，使鋼表層碳含量降低 ，在表面和內(nèi)部形成碳的濃度梯度 ，成為碳擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力。最外層表面C幾乎完全被反應(yīng)的部分即為全脫碳，部分C參與反應(yīng)的次表層稱為半脫碳，兩部分相加即為總脫碳。

3.2 加熱溫度和加熱時(shí)間的影響

脫碳反應(yīng)是吸熱反應(yīng) ，一般加熱溫度越高 ，碳的擴(kuò)散速度越快 ；加熱時(shí)間越長 ，脫碳層越厚，并形成全脫碳層。寶鋼公司曾在實(shí)驗(yàn)室研究了 60Si2MnA總脫碳層厚度與加熱時(shí)間、加熱溫度關(guān)系[4]，結(jié)果如圖 7所示 ，彈簧鋼總脫碳層厚度隨加熱溫度的升高、加熱時(shí)間的延長而增加。

圖7 總脫碳層厚度與加熱時(shí)間、加熱溫度的關(guān)系

另有研究表明[5]，鋼坯加熱過程中溫度對脫碳的影響在1150 ℃時(shí)達(dá)到峰值，在此溫度以上，隨著加熱溫度的增加脫碳不但不增加還會(huì)出現(xiàn)下降趨勢。

3.3 爐內(nèi)氣氛的影響

在加熱爐內(nèi)鋼材表面可能發(fā)生的反應(yīng)包括[6]：

Fe3C+2O2=3FeO+CO；

Fe3C+H2O=3Fe+CO+H2；

Fe3C+CO2=3Fe+2CO；

2Fe3C+O2=6Fe+2CO

上述反應(yīng)過程是氧化性爐氣與鋼中碳化鐵相互作用的結(jié)果，而水蒸氣的脫碳能力最強(qiáng) ，其次是 CO2和O2。因此 ,生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格控制加熱爐燃燒煤氣中的水含量 ，控制氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)，增加 CO含量。永鋼高線加熱爐采用的燃?xì)馐歉郀t煤氣，其含水量相對較高，對彈簧鋼脫碳影響較大，需要采取相應(yīng)措施予以解決。

4 解決措施及效果

通過上述分析可知，造成60Si2MnA盤條繞簧斷裂的主要原因是盤條表面脫碳、原始表面缺陷及機(jī)械損傷，其中表面脫碳的影響較復(fù)雜，需要從脫碳機(jī)理上采取措施，而盤條原始表面缺陷及機(jī)械損傷，需要在工藝改進(jìn)及管理方面共同采取措施。為此，制訂改進(jìn)措施如下：

(1)減少盤條表面脫碳：鋼坯經(jīng)表面全修磨后，噴涂納米防氧化涂料；增強(qiáng)加熱爐燃料中的煤氣脫水效果，降低爐內(nèi)殘氧量；降低加熱溫度和開軋溫度，盡可能減少加熱、軋制過程中的表面氧化。

(2)控制鋼坯表面質(zhì)量：優(yōu)化二冷工藝，提高連鑄坯表面質(zhì)量，并加強(qiáng)對連鑄坯表面質(zhì)量的檢查；對鋼坯修磨質(zhì)量進(jìn)行管控，減少鋼坯表面缺陷。

(3)防止盤條表面損傷：增加盤條包裝袋的厚度，防止倒運(yùn)過程中的破損，從而使盤條得到有效保護(hù)；在堆放過程中，地面鋪設(shè)橡膠墊，并控制堆放層數(shù)；運(yùn)輸車輛及吊裝工具加裝保護(hù)措施，防止盤條表面擦傷。

采取以上措施后，通過半年的試驗(yàn)跟蹤，未再發(fā)生繞簧斷裂現(xiàn)象，措施效果明顯。

5 結(jié)束語

(1)分析結(jié)果表明，導(dǎo)致60Si2MnA盤條繞簧斷裂的主要原因是盤條表面質(zhì)量問題，包括表面全脫碳、原始表面缺陷、機(jī)械損傷等。

(2)對脫碳機(jī)理進(jìn)行了分析，明確加熱溫度、加熱時(shí)間及爐內(nèi)氣氛是影響彈簧鋼脫碳的主要因素，為工藝改進(jìn)提供了依據(jù)。

(3)針對問題分析，結(jié)合管理因素制訂了相應(yīng)措施，實(shí)施效果明顯，較好地解決了60Si2MnA盤條繞簧斷裂問題。