高碳钢线材脆断的影响因素分析

文献标识码：A

文章编号：1004-4620（2015）05-0039-03

收稿日期：2015-06-09

作者简介：李丙亮，男，1987年生，2014年毕业于武汉科技大学材料加工工程专业，硕士。现为山东工业职业学院冶金工程系助教，从事金属材料断裂及性能改善的科研及教学工作。

1　前　言

高碳钢线材可经过再加工制造弹簧、钢绞线、窗帘线、预应力混凝土用钢丝等材料，国内外需求量大，具有广阔的市场，是一种附加值高的钢铁产品。在当前激烈的市场竞争之下，各线材生产厂家不断研究、改进工艺，以期待能生产出高质量的线材产品。但高碳钢线材生产过程中常会出现脆断，这一直是困扰高碳钢线材生产的重大问题，也是研究人员一直关注的热点 ［1-3］。本研究对高碳钢线材脆断的影响因素进行分析，对研究热点及方向进行探讨，以期对生产提供指导。

2　脆断影响因素分析

2.1合金元素的影响

2.1.1非金属元素的影响

1）C：C元素对高碳钢线材轧制冷却后的组织性能起主要作用。在亚共析钢范围内，随含碳量增加，铁素体相对量减少，珠光体相对量增加，抗拉强度不断提高。超过共析含碳量后，抗拉强度缓慢提高，含碳量1%（质量分数）时达到最高，其后抗拉强度会随着含碳量的增加而降低。由于共析渗碳体量增多，沿着原奥氏体的晶界析出，形成网状渗碳体，使钢的脆性大大增大，易发生脆性断裂 ［4］。碳在连铸坯中形成明显的中心偏析，易在线材心部产生网状碳化物而造成断裂隐患。

2）Si：高碳钢中Si的质量分数一般＜0.5%，Si也是钢中的有益元素之一，除形成非金属夹杂物外，Si溶于铁素体中有很强的固溶强化作用，在高碳钢中每增0.1%（质量分数）Si，可使热轧钢的抗拉强度提高约7.8～8.8 MPa，伸长率下降约0.5%，断面收缩率也会降低。

3）P、S：P和S是钢中的有害物质。P具有较强的固溶强化作用，能使钢的强度和硬度提高，但也会降低材料的塑性和韧性。此外，P还具有严重的偏析倾向，很难用热处理方法予以消除。S通过形成硫化物夹杂而对钢的力学性能产生影响。在热轧过程中FeS严重偏析出现（Fe+FeS）共晶，产生热脆现象。增加钢中S含量，使FeS夹杂的含量增高，钢的韧性和塑形降低。S偏析的出现会增加晶界的渗碳体的数量，降低晶界的结合力，增大晶间断裂的趋势。

4）O：O在钢中的溶解度非常小，几乎全部以氧化夹杂物的形式存在于钢中。而氧化夹杂物为脆性夹杂物，轧制过程中，夹杂物与钢基体交界面处容易形成应力集中 ［5］，产生显微裂纹，并逐步演变成锥形裂纹。当变形量进一步加大时，脆性的氧化夹杂物破碎使线材发生脆断。

5）H：H在钢中也是有害元素，主要表现在两个方面，一方面溶在钢中使钢的韧性和塑形降低，引起H脆；另一方面是当H从钢中析出时，会造成裂纹性质的缺陷。研究得出，H对钢的屈服强度和抗拉强度没有明显影响，但会使断裂强度降低；钢中H含量增加，断面收缩率急剧降低 ［6］。

2.1.2金属元素的影响

1）Mn：Mn除了脱氧外，还有除S的作用，与钢液中的S结合形成MnS，从而在相当程度上消除S在钢中的有害影响。少部分残留于钢中，成为非金属夹杂物。Mn能提高碳钢的强度和硬度。Mn熔入铁素体形成固溶强化，从而提高钢的强度，并使钢材在热轧冷却时得到片层较细、强度较高的珠光体，在同样含C质量分数和同样的冷却条件下，Mn会使珠光体的质量分数增加。

2）Cr：Cr具有细化晶粒、提高淬透性的作用，添加Cr成为提高高碳钢线材性能的主要措施之一。V能与C、N强烈结合成碳化物、氮化物及碳氮化合物。这些化合物在高温下溶解，在低温下析出，通过不同工艺控制得到所要求尺寸的质点。这些质点在加热时可以阻止原始奥氏体晶粒的长大；轧制过程中抑制再结晶及再结晶后晶粒的长大；低温时还会起到析出强化作用 ［7-9］。在钢中添加少量Cr、V、Mo等，提高线材冷却时的淬透性，确保充分的索氏体化，使线材的组织均匀。适量稀土元素对高碳钢性能也有改善 ［10］。

2.2生产工艺的影响

2.2.1炼铁、精炼工艺的影响

目前，国内有的企业未采用二次精炼，致使钢中的氧含量较高，夹杂物较多，这是引起高碳钢线材脆断的一个主要原因。国外高碳钢生产主要采用LF或LF+RH法进行精炼，同时向钢包喂Si-Ca线对夹杂物进行变性处理 ［1］。在精炼过程中，要防止大颗粒夹杂物进入钢液中影响钢液的质量。为改变夹杂物的形态和分布，在钢水离开LF站前，利用含Ca包芯线对钢水进行钙处理。钙处理后，为保证夹杂物充分上浮，必须对钢包钢液进行较长时间的软吹氩处理，时间要求不少于8 min ［3］。

2.2.2连铸坯质量的影响

高碳钢铸坯的质量控制是生产高品质钢丝的决定因素，其控制水平决定了线材的质量 ［1,11］。铸坯中的缩孔和碳偏析缺陷是高碳钢线材断裂的重要因素。在后续轧制线材时，如果压缩比不足，钢坯内较严重的中心缩孔在轧制后仍不能消除，在拉拔过程中这些孔洞、缩孔就会逐渐拉长，呈不规则孔洞或锥形裂缝，从而导致线材的断裂。在轧制线材时，轧制温度较高，但保温时间有限，钢坯心部存在的碳偏析难以消除，以致于在线材的中心部位同样存在，其硬度明显高于周围组织，在受到较大的拉拔应力时，碳偏析位置会形成不均匀变形开裂，加剧了线材整体断裂的进程 ［12］。

高碳钢连铸主要解决两个问题。一是精炼后获得的“干净”钢水在连铸过程中如何防止再次污染；二是如何获得结构致密，疏松、缩孔、偏析在允许范围的连铸坯。对于前者主要是控制钢水的二次氧化，减少外来夹杂物的卷入；对于后者主要是控制铸坯的柱状晶和等轴晶比例 ［1］。在浇铸时，可采用电磁搅拌等工艺，确保铸坯中心成分均匀。应尽量采用低过热度浇铸，控制好拉速，尽量抑制铸坯柱状晶生长，增加等轴晶数量，以改善铸坯中心偏析，减少缩孔 ［11］。

2.2.3控冷工艺的影响

高碳钢线材的斯太尔摩控冷工艺应遵循相变前快速冷却、相变过程中适当降低冷却速度及相变后缓冷的原则。相变前快速冷却可以有效避免线材中网状渗碳体的产生，适当降低相变过程中的冷速且相变后缓冷可以延长珠光体相变的时间，避免线材心部大块马氏体的产生，提高线材塑性 ［13］。

方坯心部产生的碳偏析在轧制过程中并没有消除，在奥氏体晶界容易产生先析出网状渗碳体。网状渗碳体会降低线材塑性，容易引起线材脆断。如果能够使线材从奥氏体区迅速冷却至共析转变时冷却临界点温度以下，就可以减少二次网状渗碳体。因此，可以通过调整斯太尔摩风冷线相变前风机风量和辊道速度增加线材相变前的冷却速度，抑制网状渗碳体的产生 ［14］。

大量研究和实践证明 ［15］：高碳钢线材850～920℃吐丝后，以8～12℃/s的冷却速度冷却到580～660℃的温度范围内，然后降低冷却速度，以接近恒温状态保持20～40 s的时间控制相变过程，冷却到500℃后自然冷却。测得索氏体含量达到90%以上，线材组织均匀性有所提高。

2.2.4时效处理的影响

时效过程中高碳钢线材内部主要会发生以下变化：1）轧制过程中产生的内应力释放；2）线材内部组织中的H重新分布和扩散，从而导致其力学性能发生变化 ［14］。

H在奥氏体组织中的溶解度较高，因此，高碳钢线材在高温轧制过程中，H均匀分布于线材内部；轧后冷却到室温，H在内部会出现过饱和，而没有时间进行扩散，时效过程中H原子扩散至线材外 ［16］。由于线材内应力的释放，溶解在原来应力区域的H也被释放出来，大部分的H向体外扩散，时效初始阶段H含量降低速度较快。随时效时间的延长，H充分扩散脱离线材后，内部应力集中程度降低，线材的力学性能逐渐回升；直至扩散平衡后，线材力学性能稳定 ［17］。

实际生产中，高碳钢线材充分时效处理7～15 d后，内应力与H扩散充分，线材性能趋于稳定。

2.2.5装运过程的影响

在装运高碳钢线材时，操作不当，在机械外力的作用下，在线材表面产生一层硬而脆的淬火马氏体组织，装运机械会擦伤线材表面淬火马氏体组织，形成擦伤缺陷。在拉拔、装载、运输等过程中，缺陷处易造成应力集中，形成裂纹，并向线材内部扩展，进而形成断裂源 ［2］。

操作装运时，要注意操作幅度要小，用较软材质的捆绑线捆绑线材，搬运叉车的叉子用柔性材料包裹或者采用电磁吊车，防止与线材硬磨。存放运输时，线材底部用柔软材质的胶料铺垫 ［2，11］。

3　研究热点及方向

提高高碳钢线材质量，预防脆断的发生，最根本的源头是炼钢和连铸工艺的控制，主要控制钢中元素含量、夹杂物数量和形态以及减少连铸坯中心疏松、偏析的产生，而后续的轧制工艺、控冷工艺、时效处理等可以有效改善高碳钢线材内部组织，减少脆断的产生。

国内外对高碳钢线材断裂的研究大都是按照化学成分分析—断口检验—金相检验等步骤进行。但实际生产中断裂问题有相同点，也有不同点；有单一方面的原因，也有几种缺陷共同作用的结果，研究工作往往忽略了生产工艺之间的相互影响。对每一工艺进行分离式研究，而对高碳钢内部组织、缺陷和杂质在整个生产工艺中的动态变化研究较少。今后可利用有限元模拟软件模拟，并结合实验研究的方法对高碳钢断裂现象进行系统的研究分析。进一步研究其他合金元素及含量对高碳钢线材性能的影响，从而开发出更多具有优良性能的高碳钢线材，扩大其应用领域。