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

(中天鋼鐵集團有限公司, 江蘇 常州 213011)

55SiCr熱軋盤條可用于制造汽車懸掛彈簧，由較高規格的熱軋盤條經拉拔、繞簧、熱處理等工藝制成。懸掛彈簧在汽車行進過程中承受往復伸縮運動，主要作用是吸收振動，保證乘員的舒適性[1-2]。現有55SiCr鋼熱軋盤條經酸洗后，由原材料Φ16 mm盤條拉拔至Φ15.9 mm后的矯直過程中發生斷裂，并且經拉拔的鋼絲在淬回火后的卷簧時也產生斷裂。現采用直讀光譜儀、光學金相顯微鏡、掃描電鏡等對這兩種斷裂的試樣進行了分析，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小裂紋，這些細小裂紋分布在沿盤條軸向的窄小區域，且有的細小裂紋處已起皮，類似于細小結疤缺陷；窄小區域約有數百毫米長，有多個這樣的窄小區域相隔分布，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小橫向裂紋

1.2 化學成分分析

從斷裂試樣上取樣，使用德國超譜公司QSN750型直讀光譜儀進行化學成分分析，結果見表1。結果表明，斷裂試樣的化學成分符合國家標準GB/T1222-2016《彈簧鋼》中對55SiCr鋼的成分要求。

表1 斷裂試樣的化學成分與標準對照

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離斷口處的盤條表面細小裂紋部位取橫向截面試樣，經磨制、拋光和浸蝕后用光學顯微鏡進行觀察。可以看出，斷裂源處細小裂紋截面深度約為0.34 mm，裂紋前端裂縫內存在有灰色物質；在裂縫一側存在一個三角區域的異常組織，其組織為珠光體和眾多不規則的白色塊顆粒；而基體組織為珠光體和少量鐵素體，三角區域組織明顯不同于基體組織，見圖7～圖9。同樣，在遠離斷口處的盤條表面細小裂紋部位橫向試樣上也觀察到裂紋處存在三角區域異常組織，見圖10～圖11。

圖7 100×斷裂源處細小裂紋深度約0.34mm，在裂紋一側存在一個異常組織的三角區

圖9 500×基體組織

圖10 100×盤條細小裂紋深度約0.34mm，在裂紋處存在一個異常組織的區或

圖11 500×三角區域組織為珠光體+眾多不規則的白色塊顆粒

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進入基體中，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，發現細小橫向裂紋處的表層組織僅為寬度約為0.8 mm的部分區域，其組織與縱向截面發現的表層組織相同，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 微區成分分析

用X射線能譜儀對拉拔矯直斷裂盤條表面異常組織區域的特征相進行微區成分面分析，結果見圖16～圖19和表2。結果表明，斷裂源處細小裂紋裂縫內存在的灰色物質為氧化鐵(見圖16和表2)。斷裂盤條表面異常組織區域內的白色塊顆粒含有C、Cr和Fe等元素，雖然X射線能譜儀測碳的準確度不高，相對而言，白色塊顆粒比珠光體區域的碳含量要高，可以認為白色塊顆粒是含Cr的碳化物(見圖17和表2)。圖18與圖19為正常基體組織區域與表層異常組織區域的譜圖比較，可以見出，兩相的鉻含量基本相同，而表層異常組織區域的碳含量比較高，這說明表層異常組織區域為增碳區域。

圖16 裂縫內存在的灰色物質為氧化鐵

圖17 表層異常組織區域內白色塊顆粒為碳化物

圖18 表層異常組織區域測定范圍

圖19 基體組織區域測定范圍

表2 X射線能譜儀分析結果

2 分析與討論

根據上述分析檢測結果可知，55SiCr鋼熱軋盤條表層存在沿縱向的帶狀異常組織區域，異常組織區域其組織為珠光體+眾多不規則塊狀碳化物，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域為增碳區域，而盤條表層增碳區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。但在少數情況下,也會出現鑄坯表面增碳的情況。為了控制保護渣的熔化速度和保溫性能，保護渣中通常都要進行配碳。碳類材料以碳黑、石墨或焦粉的形式加入。保護渣熔化過程中，在熔渣層和燒結層之間存在一個富碳層,使接近彎月面處的固態渣圈有碳的富集。一方面,當鋼液面上升時,富碳層進入結晶器與鑄坯之間,使富碳層中的碳向鑄坯表面滲透；另一方面,當結晶器液面波動過大時,保護渣富碳層與鋼水直接接觸或卷入,造成結晶器內的鋼水增碳,而這部分鋼水凝固后就形成了鑄坯局部表面增碳區域[3]。保護渣碳含量越髙、結晶器液面波動越大,就越容易引起增碳；保護渣碳的活性度越高,增碳的可能性越大。

55SiCr鋼熱軋盤條表面異常組織區域為珠光體和眾多不規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；而正常基體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]。并在后續的矯直過程中，微裂紋擴展，導致盤條斷裂。

表面存在異常組織區域的55SiCr鋼熱軋盤條經淬火回火后，盤條基體組織變為回火屈氏體，而其表面條帶狀異常組織區域在淬火時轉變為粗大馬氏體和大量的殘余奧氏體，因該殘余奧氏體含有較高的Cr，其回火穩定性好；而彈簧鋼棒淬火回火采用的感應加熱、冷卻的通過式連續淬回火工藝，回火時的保溫時間非常短，致使異常組織區域的大量殘余奧氏體中，僅有一部分在回火時轉變為馬氏體，另有部分殘余奧氏體保留在回火后的組織中，使我們在斷裂的淬回火鋼棒上仍能檢驗到一定量的殘余奧氏體。由于彈簧鋼棒表面異常組織區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，在卷簧時若表面異常組織區域正好處于彈簧外圓表面，受到較大拉應力作用，便易在此處生成橫向裂紋，最終導致彈簧斷裂。

3 結 語

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

(2)彈簧鋼棒表面異常組織區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，若表面異常組織區域正好處于彈簧外圓表面，受到較大拉應力作用，便易在此處生成橫向裂紋，最終導致彈簧斷裂。

(3)解決鑄坯表面增碳,應在連鑄時應使結晶器液面盡量穩定,保護渣加入應盡可能提早、杜絕紅渣操作、及時撈岀渣圈。在可能的情況下選用低碳或無碳保護渣、低活性碳保護渣。