60Si2MnA盘条绕簧断裂原因分析

余 超， 王晓兰， 陆旭霞， 郭 愚

(江苏永钢集团有限公司，江苏 张家港 215628)

引 言

60Si2MnA为Si-Mn系合金弹簧钢，是中国用量较大、用途广泛的弹簧钢品种，主要用于制造铁道车辆、汽车拖拉机、工业上承受较大负荷的扁形弹簧或直径≤25 mm的螺旋弹簧[1]。其生产过程的工艺条件比较苛刻，既要控制连铸坯的偏析、非金属夹杂物、表面质量，又要严控轧制过程的脱碳、表面缺陷和显微组织，同时，在成品盘条的运输和吊装过程中也要防止盘条表面损伤，生产组织的难度非常大。

江苏永钢集团有限公司(以下简称“永钢”)近两年逐步开发弹簧钢产品，规格为Φ5.5～15 mm，开发初期，一些用户反馈盘条在绕簧过程中出现了断裂现象，给用户生产带来一定影响。一般而言，弹簧在疲劳试验或后续使用过程中易发生疲劳断裂失效，但在绕簧过程中出现断裂的情况极少。为找出断裂原因，提高永钢弹簧钢品质，收集用户使用过程中断裂失效试样进行分析，查明了60Si2MnA盘条绕簧断裂的主要原因，并根据分析结果，制订了解决绕簧断裂的工艺方案，取得了良好效果。

1 盘条及弹簧生产工艺

1.1 永钢60Si2MnA盘条生产工艺

转炉冶炼→LF炉精炼→VD炉→160 mm×160 mm小方坯连铸→表面修磨→步进式加热炉→高线轧制→斯太尔摩冷却线→成品集卷→检验→塑料袋包装→运输发货。

1.2 下游用户弹簧生产工艺

盘条→表面处理(酸洗或机械剥壳)→磷化→皂化→拉拔(减径2～3mm)→感应加热→淬火→回火→水冷→涂油→收线→绕簧→回火→磨簧→喷丸→热强压→水冷→分选→上漆→包装入库。

2 绕簧断裂原因分析

导致钢丝生产过程中出现断裂的原因大致可分为线材本身的质量因素和拉拔过程因素两类[2]。观察绕簧断裂试样，发现断裂源均在样品表面，通过分析断口形貌和金相组织并结合生产工艺，认为致使弹簧绕簧断裂的原因主要有三个方面：盘条表面脱碳、原始表面缺陷和表面的机械损伤，下面逐一进行分析。

2.1 表面脱碳引起的断裂

用户使用永钢Φ14 mm规格的60Si2MnA盘条，经正常工艺拉拔和热处理后绕簧频繁出现断裂，样品宏观形貌如图1所示。观察多对断口，断裂源均位于弹簧表面外侧，且裂纹源附近表面光滑，未见明显的宏观缺陷。

图1 Φ14 mm样品宏观形貌

在图1(b)划线位置取样品横截面，直接磨削断面至断裂源位置观察金相形貌，断裂源处未见冶金缺陷，如图2(a)所示。用4%硝酸酒精浸蚀后发现，断裂源对应表面有局部全脱碳特征，圆周长度近0.4 mm，深度约0.04 mm，其他部位未见明显脱碳，基体组织为回火屈氏体，如图2(b),(c)所示。

全脱碳会导致弹簧钢丝表面局部淬不上火，造成局部强度明显低于内部正常组织，由于在后道淬火工序中，表面脱碳层达不到所要求的硬度及力学强度，在交变应力作用下容易产生裂纹[3]。在绕簧的过程中，全脱碳部位若正好位于弹簧的外侧表面，且脱碳范围较大时，外侧表面的巨大拉应力会使表面脱碳部位率先形成微裂纹，并导致最终的断簧。因脱碳会显著降低弹簧疲劳寿命，即使绕簧时未发生断裂，在后续的疲劳试验或使用过程中也会发生早期失效。

图2 断裂源处横截面金相形貌

2.2 原始表面缺陷引起的断裂

用户使用永钢Φ15 mm规格60Si2MnA盘条，正常绕簧时出现断裂现象，样品宏观形貌如图3所示。观察5个断口，有4个样品断裂形貌类似，断裂源位于弹簧外表面，断裂源一侧表面存在肉眼可见的缺陷，如图3(b),(c)所示。在体视显微镜下观察，表面缺陷间断出现，无明显规律，形貌类似于原始盘条表面“折叠”或“翘皮”缺陷。

图3 Φ15 mm样品宏观形貌

图4 裂纹源处横截面金相形貌

在图3(c)划线位置取样品横截面，金相形貌如图4所示。缺陷呈“V”形裂纹形貌向基体延伸，深度约为0.09 mm，未见其它冶金缺陷，如图4(a)所示；用4%硝酸酒精浸蚀后观察，裂纹两侧存在全脱碳特征，其他位置未见明显脱碳，如图4(b),(c)所示。

结合缺陷宏观和微观形貌判断，引起此次绕簧断裂的原因为盘条表面“翘皮”缺陷。从缺陷的特征可见，该缺陷是轧材本身的原始缺陷，是钢坯表面存在缺陷轧制时无法消除或轧合，盘条表面就形成此类不连续的点状、锯齿状缺陷。这类缺陷破坏了基体的完整性，在绕簧时的拉应力作用下，缺陷成为断裂源并进一步扩展导致断簧。

2.3 机械损伤引起的断裂

用户使用永钢Φ10 mm规格60Si2MnA盘条，盘条不经表面处理、拉拔和热处理等工序直接绕簧，样品形貌如图5所示。观察断面可知，断裂源也位于弹簧表面外侧，断裂源一侧表面毛糙，表面金属出现了横向变形，有明显挫伤痕迹，如图5(b),(c)所示。

在图5(c)划线位置取样品纵截面，金相形貌如图6所示。表面缺陷处存在大量向基体内部延伸的细小裂纹，局部有氧化铁皮残留，如图6(a),(b)所示。用4%硝酸酒精浸蚀后发现，表面缺陷处为加工硬化组织，未见脱碳现象，基体组织为珠光体+铁素体。

从缺陷的宏观和微观形貌来看，导致此次绕簧断裂的原因为盘条表面存在机械损伤缺陷。这种缺陷一般产生于盘条的运输和吊装过程中，包括擦伤、刮伤、挤压等，盘条表面可见明显的破损痕迹，且会出现加工硬化组织，在后续的拉拔或绕簧时，极易在缺陷部位发生断裂。另外，用户不经其他工序而直接将盘条进行绕簧，也会对弹簧制作过程产生不利影响。

图5 Φ10 mm样品宏观形貌

图6 裂纹源处纵截面金相形貌

3 表面脱碳机理分析

3.1 脱碳机制

脱碳一般是在高温时产生，包括碳原子从钢材内部向表面扩散及其在钢材表面与炉气中的氧化性气体发生反应两个过程。从碳的扩散角度来看 ,脱碳层厚度主要取决于钢中含碳量与炉气碳势的差异 ，当炉气的碳势低于钢中含碳量时 ，钢表面碳原子与炉气发生反应 ，生成的含碳气体离开钢表面 ，使钢表层碳含量降低 ，在表面和内部形成碳的浓度梯度 ，成为碳扩散的驱动力。最外层表面C几乎完全被反应的部分即为全脱碳，部分C参与反应的次表层称为半脱碳，两部分相加即为总脱碳。

3.2 加热温度和加热时间的影响

脱碳反应是吸热反应 ，一般加热温度越高 ，碳的扩散速度越快 ；加热时间越长 ，脱碳层越厚，并形成全脱碳层。宝钢公司曾在实验室研究了 60Si2MnA总脱碳层厚度与加热时间、加热温度关系[4]，结果如图 7所示 ，弹簧钢总脱碳层厚度随加热温度的升高、加热时间的延长而增加。

图7 总脱碳层厚度与加热时间、加热温度的关系

另有研究表明[5]，钢坯加热过程中温度对脱碳的影响在1150 ℃时达到峰值，在此温度以上，随着加热温度的增加脱碳不但不增加还会出现下降趋势。

3.3 炉内气氛的影响

在加热炉内钢材表面可能发生的反应包括[6]：

Fe3C+2O2=3FeO+CO；

Fe3C+H2O=3Fe+CO+H2；

Fe3C+CO2=3Fe+2CO；

2Fe3C+O2=6Fe+2CO

上述反应过程是氧化性炉气与钢中碳化铁相互作用的结果，而水蒸气的脱碳能力最强 ，其次是 CO2和O2。因此 ,生产中应严格控制加热炉燃烧煤气中的水含量 ，控制氧质量分数，增加 CO含量。永钢高线加热炉采用的燃气是高炉煤气，其含水量相对较高，对弹簧钢脱碳影响较大，需要采取相应措施予以解决。

4 解决措施及效果

通过上述分析可知，造成60Si2MnA盘条绕簧断裂的主要原因是盘条表面脱碳、原始表面缺陷及机械损伤，其中表面脱碳的影响较复杂，需要从脱碳机理上采取措施，而盘条原始表面缺陷及机械损伤，需要在工艺改进及管理方面共同采取措施。为此，制订改进措施如下：

(1)减少盘条表面脱碳：钢坯经表面全修磨后，喷涂纳米防氧化涂料；增强加热炉燃料中的煤气脱水效果，降低炉内残氧量；降低加热温度和开轧温度，尽可能减少加热、轧制过程中的表面氧化。

(2)控制钢坯表面质量：优化二冷工艺，提高连铸坯表面质量，并加强对连铸坯表面质量的检查；对钢坯修磨质量进行管控，减少钢坯表面缺陷。

(3)防止盘条表面损伤：增加盘条包装袋的厚度，防止倒运过程中的破损，从而使盘条得到有效保护；在堆放过程中，地面铺设橡胶垫，并控制堆放层数；运输车辆及吊装工具加装保护措施，防止盘条表面擦伤。

采取以上措施后，通过半年的试验跟踪，未再发生绕簧断裂现象，措施效果明显。

5 结束语

(1)分析结果表明，导致60Si2MnA盘条绕簧断裂的主要原因是盘条表面质量问题，包括表面全脱碳、原始表面缺陷、机械损伤等。

(2)对脱碳机理进行了分析，明确加热温度、加热时间及炉内气氛是影响弹簧钢脱碳的主要因素，为工艺改进提供了依据。

(3)针对问题分析，结合管理因素制订了相应措施，实施效果明显，较好地解决了60Si2MnA盘条绕簧断裂问题。