PC鋼棒拉拔測試異常斷口原因分析及工藝改進

摘要：Φ14mm的30MnSi熱軋盤條經(jīng)過加工為鋼棒后進行拉拔測試，發(fā)現(xiàn)異常斷口，經(jīng)過對斷口及同批次未加工的盤條顯微組織及電鏡分析，結(jié)果表明，連鑄坯出現(xiàn)角部裂紋，經(jīng)過軋制后裂紋焊合，但焊合后的裂紋位置形成異常組織，在拉拔測試時截面受力不均勻而產(chǎn)生異常斷口。通過穩(wěn)定連鑄拉速及過熱度，有效的控制鑄坯角部裂紋的產(chǎn)生，避免鋼棒拉拔后出現(xiàn)異常斷口問題。

關(guān)鍵詞：PC鋼棒；30MnSi；拉拔測試；原因分析；角部裂紋

0 前言

預(yù)應(yīng)力混泥土用鋼棒（簡稱PC鋼棒）是一種技術(shù)含量很高的預(yù)應(yīng)力鋼材，由于其具有高強度、高韌性、低松弛性、可焊接性、與混凝土握裹力強等特點，被認為是“資源節(jié)約型”和“環(huán)境友好型”綠色鋼材，廣泛應(yīng)用于高強預(yù)應(yīng)力混凝土離心管樁、電桿、高架橋墩、鐵路軌枕等預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中[1-4]。

某公司生產(chǎn)30MnSi的工藝流程為：高爐鐵水-120 t轉(zhuǎn)爐-120 t LF精煉-160 mm×160 mm方坯連鑄-摩根第六代高速線材軋制-斯太爾摩線延時緩冷-成品檢驗-包裝入庫。下游用戶反饋某批Φ14 mm盤條加工為PC鋼棒后進行拉拔測試，發(fā)現(xiàn)部分PC鋼棒斷口出現(xiàn)異常，該用戶加工工藝為：Φ14 mm盤條-拉拔Φ13.1 mm-刻槽-感應(yīng)加熱-900℃淬火-400℃回火-聚卷-拉拔測試。針對PC鋼棒異常斷口及同批次未生產(chǎn)盤條取樣進行顯微組織及電鏡分析，找到出現(xiàn)PC鋼棒拉拔測試異常斷口原因，并進行生產(chǎn)工藝優(yōu)化。

1 檢驗

1.1 拉拔測試斷口

30MnSi盤條加工后的鋼棒拉拔測試斷口如圖1所示，斷口有一定徑縮，斷口沿中間部分裂開，在斷口處將鋼棒分成兩半。

取斷口位置附近試樣進行金相分析，試樣拋光后表面為發(fā)現(xiàn)異常，如圖2（a），將試樣采用4%的硝酸酒精腐蝕后發(fā)現(xiàn)兩條相對應(yīng)的黑色條帶，如圖2（b），在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)該黑色條帶為鐵素體帶，周圍位置為回火屈氏體，如圖3。

1.2 盤條檢測

對拉拔測試斷口異常批次同一件未生產(chǎn)Φ14 mm盤條進行拉拔，盤條存在明顯徑縮，斷口位置中間位置發(fā)現(xiàn)微小裂紋，如圖4。

盤條拉拔測試斷口附近樣品經(jīng)拋光后未發(fā)現(xiàn)異常，腐蝕后，發(fā)現(xiàn)輕微黑色帶狀組織，在顯微鏡下放大后發(fā)現(xiàn)為珠光體帶，周圍為珠光體+鐵素體，如圖5、圖6。采用電鏡對黑色條帶位置進行分析，發(fā)現(xiàn)黑色條帶內(nèi)有灰色氧化物，主要為Mn、Si、Fe的氧化物，如圖7。

2 原因分析

PC鋼棒拉拔測試異常斷口位置及盤條拉拔斷口附近的異常組織帶可以看出，盤條上出現(xiàn)的異常組織帶是導(dǎo)致PC鋼棒拉拔測試時截面變形不均勻而出現(xiàn)異常斷口的直接原因，而經(jīng)過對盤條異常組織帶內(nèi)進行電鏡分析，發(fā)現(xiàn)沿黑色條狀組織內(nèi)存在不連續(xù)分布的高溫氧化質(zhì)點。氧化鐵和大量細小高溫氧化質(zhì)點的形成原因，主要是由于已存在裂紋缺陷的鋼坯將內(nèi)部鋼基體暴露在氧化性氣氛中，經(jīng)加熱爐一定時間高溫加熱而形成。在鐵基體被氧化前，鋼基體中的硅、錳等元素優(yōu)先與氧元素結(jié)合并偏聚形成氧化質(zhì)點。高溫氧化質(zhì)點是鑄坯缺陷遺傳至軋制過程中的典型特征，而斜向鋼基體內(nèi)部延伸的裂紋缺陷的宏觀形貌特征說明缺陷由鑄坯原始裂紋遺傳[5]。

而PC鋼棒及盤條異常組織帶具有明顯對稱性，即主要出現(xiàn)在靠近邊緣的往中心延伸，可以確定為鑄坯靠近角部位置逐漸向心部擴展的裂紋，該裂紋經(jīng)過軋制和已經(jīng)焊合，但裂紋暴露在端部或沿縱向呈連續(xù)分布，在加熱過程中被氧化形成氧化質(zhì)點，同時在軋制冷卻過程中，奧氏體轉(zhuǎn)變以此為形核點，轉(zhuǎn)變?yōu)楫惓＝M織帶。

從圖3和圖6可以看出，盤條熱軋態(tài)和熱處理的組織偏析帶是沿裂紋方向分布，熱軋態(tài)盤條基體組織F+P，熱處理后回火屈氏體組織。而鑄坯的內(nèi)角部裂紋往往出現(xiàn)在結(jié)晶器彎月面以下250 mm內(nèi)產(chǎn)生，裂紋首先在固液交界面形成，然后擴展[6]。近角部的裂紋往往伴隨著鑄坯表面凹陷，出結(jié)晶器后由于結(jié)晶器坯殼厚度不均勻的生長產(chǎn)生不同的應(yīng)力而導(dǎo)致裂紋進一步擴展。同時裂紋位置出現(xiàn)一定鋼液的補充，導(dǎo)致合金元素的偏聚，從而出現(xiàn)裂紋內(nèi)的正偏析帶。鋼液過熱度和澆注速度控制不當直接影響鑄坯中柱狀晶和等軸晶的比例及凝固坯殼的厚度，澆注速度過快或過熱度過高將導(dǎo)致中間裂紋指數(shù)明顯升高[7-9]。

3 工藝改進及結(jié)果驗證

3.1 工藝方案

為確保鑄坯在冷卻過程坯殼均勻的生長，防止內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生，采用控制拉速及澆注過熱度、同時提高一冷水回水溫差，以確保鋼水在結(jié)晶器內(nèi)坯殼均勻的生長，從而防止角部裂紋的產(chǎn)生。

在一個澆次中開展5爐工藝試驗，并在原工藝與試驗工藝中的同1流每爐取1塊低倍樣酸洗、評級[10]后進行對比，方案如表1所示。

3.2 結(jié)果驗證

表2為原工藝及試驗工藝5爐鋼中的低倍酸洗后的評級，主要對縮孔、皮下裂紋、角部裂紋、中間裂紋及中心裂紋進行對比，由表可知，在原工藝參數(shù)下，拉速波動較大，當拉速達到

2.6 m/min，澆鋼過熱度為35℃時，連鑄坯低倍樣出現(xiàn)明顯角部裂紋，同時裂紋外的角部出現(xiàn)凹陷情況，如圖8 （a）。試驗工藝拉速穩(wěn)定，過熱度較低，同時提高一冷回水溫差，確保結(jié)晶器內(nèi)坯殼均勻生產(chǎn)，低倍質(zhì)量較好，典型低倍照片如圖8（b）。

試驗工藝參數(shù)固化后，生產(chǎn)的連鑄坯軋制Φ14 mm的30MnSi盤條，用戶加工為鋼棒后進行拉拔測試，未出現(xiàn)異常斷口。

4 結(jié)論

（1）30MnSi連鑄坯出現(xiàn)角部裂紋，軋制后裂紋焊合，但裂紋位置出現(xiàn)異常組織，導(dǎo)致加工為鋼棒裂紋位置組織與其他位置組織形成差異，拉拔測試時受力不均而出現(xiàn)異常斷口。

（2）通過穩(wěn)定連鑄拉速、降低澆鋼過熱度，同時提高一冷水回水溫差，連鑄坯低倍缺陷明顯改善，并將工藝參數(shù)固化，生產(chǎn)的連鑄坯軋制盤條后發(fā)下游用戶使用，加工后的鋼棒拉拔測試，未出現(xiàn)異常斷口。

參考文獻

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