65Mn弹簧钢盘条拉拔成型断裂分析

2015-12-22陈新慈杜海明赵贤平田伏庆栾中元

河南冶金 2015年2期

关键词：渗碳体结疤盘条

陈新慈杜海明赵贤平田伏庆栾中元

(安阳钢铁股份有限公司)

0 前言

65Mn 为优质碳素结构钢，具有强度高、硬度高，淬透性好，脱碳倾向小等优点，经冷轧深加工后用于制造各种截面较小的扁弹簧、圆弹簧、座垫弹簧、弹簧发条等，广泛应用于汽车、火车等交通运输工具制造业及电子业［1－2］。

65Mn 盘条加工成弹簧生产工艺流程为:抽检→酸洗磷化→表面磷化效果检验→1 ～3 道次拉拔→3道次连轧→热处理→电解酸洗→水洗→成品三连轧→头尾探伤→成品检验→入库。其成品如图1 所示。

用户近期使用的一批65Mn 盘条拉拔后在绕制螺旋弹簧成型过程中出现开裂现象，笔者利用直读光谱仪、FEI QUANTA 200 扫描电子显微镜、ZEISS Observer A1m 光学显微镜、TMVP －1S 显微硬度计等仪器对断裂样品进行了化学成分分析、断口分析、显微组织分析和显微硬度检测等，以分析其断裂原因，达到改进和提升产品质量的目的。

图1 65Mn 盘条加工的成品弹簧件

1 化学成分分析

对其中两个断裂65Mn 弹簧件试样进行化学成分分析，其结果见表1。

表1 65Mn 化学成分设计与实际检测结果(质量分数) %

由表1 可知，65Mn 的化学成分检测结果均符合标准要求和生产控制的要求，且波动很小，其中硫、磷的含量远低于标准值，另外对比该批次65Mn 正常生产时的检验数据，可以看出，各成分之间无明显差别，由此可判定该批次65Mn 盘条钢质比较均匀，合金元素含量对盘条拉拔时产生开裂的影响不大。

2 断口分析

为了更直观找到影响断裂的因素，首先利用Quanta 200 扫描电子显微镜对65Mn 弹簧件的断口及缺陷部位进行分析，对试样缺陷部位进行切割，经超声波清洗后，观察发现断裂的试样裂纹源起源边部，边部存在很多微裂纹，形貌如图2(a)所示，可以明显看出，微裂纹的方向基本与弹簧件的轴线呈90 °，且小范围内基本呈等间距分布在弹簧件的边缘;少数试样在边部发现类似结疤的缺陷，形貌如图2(b)所示;另有部分试样在热处理过程出现了中心纵向开裂的情况，扫描电镜观察的照片如图2(c)所示。

图2 65Mn 弹簧件缺陷部位形貌

通过扫描电子显微镜对微裂纹、结疤、中心开裂处的进一步分析，并未在裂纹源和缺陷附近检测到异常的化学成分，所以可以排除连铸时保护渣卷入而形成的缺陷。

3 显微组织分析

将试样抛光后，用4%硝酸酒精溶液腐蚀，利用ZEISS Observer A1m 光学显微镜进行组织观察，基体组织为索氏体+珠光体，如图3(a)所示;边部存在裂纹的试样表层附近存在异常组织，主要是莱氏体和网状渗碳体，如图3(b)所示;另外少数试样在边部裂纹源附近观察到图3(c)所示的另类异常组织，该组织形态发生流变，对其进行显微硬度分析，其硬度值为(HV0．5):514．8、522．8、518．3，接近淬火马氏体硬度;对边部出现结疤缺陷的试样做金相分析，结疤处存在明显的脱碳现象，如图3(d)所示;对热处理过程中出现中心开裂的试样做金相分析，在试样中心发现有大量马氏体组织，如图3(e)所示。

4 分析与讨论

4．1 莱氏体和网状渗碳体

组织中出现图3(b)所示的高碳莱氏体和网状渗碳体，主要是由于铸坯连铸过程中操作不当，保护渣中的石墨碳随钢液进入结晶器，而造成连铸坯表面局部增碳［3－4］。使边部存在碳偏析，从而形成网状渗碳体，使钢的脆性大大增加，韧性急剧下降，在拉拔外力的作用下，不能同基体组织同步变形，首先在晶界形成微裂纹，随着变形增加，裂纹扩展最终引起脆断［5］。同时，渗碳体的增多对材料的塑性和冲击韧性也有很大影响，当组织中出现以渗碳体为基体的莱氏体时，塑性降低到接近于零值［6］。连铸时要严格控制结晶过程，尽量避免连铸坯出现局部碳偏析的情况，可以避免在轧制过程局部出现异常组织莱氏体和网状渗碳体。

4．2 流变组织

边部出现如图3(c)所示的异常组织硬度非常高，接近淬火马氏体的硬度，通过表面分析，该区域可能是吊装、运输或拉拔过程中与地面、车辆、吊具、夹具等碰撞、摩擦后形成的擦伤，在此过程中盘条表面瞬间升温后又快速冷却，很容易发生马氏体转变，而马氏体不宜变形，再加上擦伤部位附近的组织也发生明显流变，容易形成应力集中，在拉拔过程中极易出现微裂纹，甚至出现断丝现象［7－8］。在实际吊装、运输过程中要尽量做到轻拿轻放，另外，盘条在拉拔过程中要保证表面光洁、润滑良好，尽量避免模具问题对拉拔结果造成影响。

4．3 结疤

结疤一般是指连铸坯表面的夹渣、裂纹、凹坑等，在轧制过程中形成较薄、扁平的不均匀分布在钢材表面呈舌状、指甲状或鱼鳞状的薄片。由图3(d)可以看出，结疤处存在严重脱碳，出现大量铁素体，表明该处缺陷来自原铸坯上的表面裂纹(或局部小裂纹簇)，表面裂纹经高温加热其附近的组织产生严重脱碳，组织发生变化，在轧制过程中形成结疤［9］。针对表面出现结疤、裂纹等缺陷，在生产中要严格控制连铸过程，及时对铸坯表面缺陷进行检查与清理，轧制时要保证轧制节奏稳定，及时对轧材表面质量进行检查。

图3 65Mn 基体及缺陷处的金相照片

4．4 淬火马氏体

部分65Mn 试样热处理后出现中心开裂，在金相分析时发现试样中心存在如图3(e)所示的淬火组织(高碳片状马氏体)。中高碳钢盘条容易形成中心组织偏析和成分偏析，大多数合金元素(除Co、Al 外)都使点Ms 下降，因而会促进片状马氏体的形成。高碳片状马氏体的一个重要特点，就是存在大量的显微裂纹，这种马氏体的形成速度极快，在其相互碰撞或与奥氏体晶界相撞时将引起相当大的应力场，高碳马氏体本身又很脆，因此容易形成撞击裂纹，显微裂纹的存在增加了高碳马氏体钢件的脆性，在内应力的作用下显微裂纹将会逐渐扩展成为宏观裂纹，可以导致工件开裂或使工件的疲劳寿命明显下降［10－11］。针对此类问题，可以通过优化热处理工艺，完全消除淬火组织，得到均匀的索氏体和珠光体组织，如图3(a)所示，避免盘条热处理后中心开裂的问题。