55SiCr弹簧钢盘条组织偏析对拉拔断裂的影响

安绘竹 ，车安 ，刘祥 ，王宏亮 ，徐曦

（1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；2.鞍钢股份有限公司线材厂，辽宁 鞍山 114042）

55SiCr弹簧钢盘条用于制造汽车悬架弹簧，是汽车底盘减震系统中的重要部件，主要作用是缓冲和减震。由于长期在周期性弯曲扭转等交变应力条件下工作，承受高频往复压缩运动，其质量对汽车平稳性、安全性、舒适性有着重要影响。因此要求材料具有较高的强度、较好的疲劳寿命、较优的减震性能及足够的塑韧性，这就对55SiCr弹簧钢盘条组织性能提出了严格要求。鞍钢股份有限公司在开发55SiCr弹簧钢时，出现了下游用户由Φ14.0 mm拉拔至Φ11.9 mm过程中发生拉拔断裂问题，致后续无法使用。本文采用金相显微镜、扫描电镜、微区成分检验对盘条拉拔断裂原因进行了分析，同时采用电子探针检验对国内外各厂55SiCr弹簧钢成分进行微区成分对标检验，总结归纳了导致55SiCr弹簧钢盘条拉拔断裂偏析指数。

1 检验分析

1.1 断口宏观形貌

55SiCr拉拔断口宏观形貌见图1，断口呈匹配的笔尖状和漏斗状，心部为裂纹源，从断口形貌来看，材质较脆，靠近断口的心部出现二次裂纹。断口心部为裂纹源，纵向试样心部看到纵多横向小裂纹。

图1 断口宏观形貌Fig.1 Macroscopic Appearance of Fracture Surface

1.2 断口处金相组织

对55SiCr漏斗状断口试样、未断裂55SiCr试样进行横纵向金相制样观察，断口心部裂纹形貌及组织偏析带见图2。从图中可以看出断口心部为裂纹源，且附近出现二次裂纹。纵向试样心部看到纵多小裂纹，呈一字或人字形排列，纵向试样中心组织异常且附近发现多条低温组织偏析带，金相组织见图3。

图2 断口心部裂纹形貌及组织偏析带（50×）Fig.2 Appearance of Crack in Fracture Center and Microstructural Segregation Zone （50×）

图3 金相组织（500×）Fig.3 Metallographic Microstructure （500×）

1.3 微区成分检验

1.3.1 断口处微区成分检验

采用电子探针对裂纹区域、未断裂试样进行C、Cr、Mn、Si微区成分线扫描检验，用偏析指数来衡量截面某一区域各元素的分布情况，进而评价该区域元素的偏析情况。对试样进行中心偏析点处的微区线扫，三次均值检验结果见表1。结果表明：盘条心部裂纹处存在Cr、Mn、Si元素的正偏析，其中Cr、Mn偏析指数较大，偏析严重。Cr偏析指数达1.50，较未断丝平均偏析指数高0.23；Mn偏析指数达1.54，较未断丝平均偏析指数高0.28；Si偏析指数达1.42，较未断丝平均偏析指数高0.20。

表1 三次均值检验结果Table 1 Results of Mean Values by Testing for Three Times

1.3.2 微区成分对标分析

目前为止，暂无采用微区成分分析方法来衡量弹簧钢组织偏析程度对拉拔断裂影响的相关报道。总结归纳55SiCr弹簧钢拉拔断裂的偏析指数，可对后续更高级别弹簧钢及其他高品质钢种的开发提供指导依据，因此本文采用微区成分分析对国内外具有代表性的3个厂55SiCr弹簧钢C、Si、Mn、Cr成分进行电子探针对标检验，各钢厂试样为正常盘条试样，样本数量为10，检验结果见表2。

表2 国内外具有代表性的3个厂55SiCr弹簧钢C、Si、Mn、Cr偏析指数检验结果Table 2 Test Results of Segregation Indexes of C，Si，Mn and Cr in 55SiCr Spring Steels Produced by Three Representative Steel Plants at Home and Abroad

通过表 2可看出，各钢厂 C、Mn、Cr、Si偏析控制情况是：鞍钢C偏析指数偏大，宝钢及浦项控制较好；宝钢Mn、Cr、Si偏析指数控制较好，宝钢Mn、Si、Cr偏析指数较鞍钢低 0.03、0.06、0.10，鞍钢与浦项相当。综上，一般Cr、Mn元素偏析对拉拔断裂影响较大，当Cr、Mn偏析指数达到1.50以上，拉拔断裂倾向加大，而C偏析指数在1.20以下，Mn、Cr、Si偏析指数控制在1.30以下是正常水平。

2 讨论分析

拉拔断口呈笔尖和漏斗状，断口中心及其附近存在多条低温组织偏析带，且偏析带上存在纵多横向小裂纹，呈一字形排列。断口附近金相组织为屈氏体+马氏体+铁素体，远离断口处金相组织为正常的珠光体+铁素体。

盘条在下游拉拔过程中，若心部存在马氏体等异常组织时，该组织硬而脆，且其变形不均匀，心部会率先形成微裂纹，微裂纹不会直接向两侧扩展，而是在两侧压缩应力的作用下呈人字或一字形扩展，形成裂纹。裂纹扩展前沿最大切应力方向与拉伸应力和压缩应力的比值有关，一般约与拉拔方向呈45°扩展。随着拉拔，裂纹继续扩展并最终断裂，最终形成匹配的笔尖和漏斗状断口。因此，盘条出现异常组织是导致盘条拉拔断裂的直接原因。远离断口的组织正常，而断口处Cr、Mn、Si存在成分偏析，尤其是Cr、Mn元素，会增加钢的淬透性，在偏析区域极易产生低温组织，形成马氏体组织偏析带。

本文采用微区成分分析方法总结归纳了衡量弹簧钢组织偏析程度与拉拔断裂之间关系的偏析指数，并对国内外具有代表性的3个厂55SiCr弹簧钢C、Si、Mn、Cr偏析指数进行了对标分析。研究表明，断丝试样Mn、Cr、Si偏析指数较大，C偏析指数无明显差异；高碳钢C偏析指数评价与Si、Mn、Cr不大相同，一般来说高碳钢C偏析指数达1.20以上可算严重偏析，而对于55SiCr弹簧钢Mn、Cr达到1.50以上、Si达1.40以上会加大后续拉拔断裂倾向。

3 改进措施

（1）提高工装水平及精度。充分利用末端电磁搅拌及压下功能和中间包加热功能，促进溶质再分配，使元素扩散更加均匀；

（2）保证炼钢生产工艺稳定性。保证连铸拉坯恒速率，提高拉坯稳定性，减少质量波动；保证连铸过程中过热度的控制，使铸坯凝固更均匀，增加等轴晶比例；

（3）优化轧钢生产工艺。在保证产品性能的条件下，可适当调整轧后冷却速度，降低偏析区域产生低温组织的临界冷却速度。

4 结论

（1）55SiCr弹簧钢在下游用户拉拔时发生断裂是由于盘条心部及附近存在Si、Mn、Cr成分偏析，增加了钢的淬透性，在偏析区域产生低温组织，形成马氏体组织偏析带。拉拔断口呈匹配的笔尖和漏斗状，且断口处低温组织偏析带上存在纵多呈一字或人字形排列的小裂纹。

（2）对于弹簧钢 55SiCr，当 C偏析指数在1.20 以下，Mn、Cr、Si偏析指数在 1.30 以下时，钢的偏析控制水平是正常水平。

（3）采用微区成分分析方法总结归纳了衡量弹簧钢组织偏析程度与拉拔断裂之间关系的偏析指数，当弹簧钢Mn、Cr平均偏析指数在1.50以上、Si平均偏析指数在1.40以上时，会加大后续拉拔断裂倾向。