ER50-6拉拔脆断成因分析

2021-08-06王刚

中国金属通报 2021年9期

关键词：焊丝铁素体形貌

王刚

（成渝钒钛科技有限公司，四川内江 642469）

西南地区对焊接材料有较大的需求，特备是气保焊丝ER50-6有广泛的社会需求，因此研究和改善ER50-6质量能显著提高我公司焊丝钢产品的市场竞争力，节约焊接成本，提高设备使用安全，有着重要的社会和经济效益。

公司目前采用铁水预处理→转炉→LF精炼→连铸→高线轧制工艺生产ER50-6，用户对ER50-6盘条母材提出严格的要求，特别是要求拉拔脆断指数100吨≤2次。

用户拉丝工艺为：开卷机开卷→剥壳→清理→粗拉（Φ5.5→Φ4.8→Φ4.15→Φ3.5→Φ3.0→Φ2.58→Φ2.2）→ 精拉（Φ2.2→Φ1.8→Φ1.3→Φ0.8）→镀铜。

然而在用户使用过程中，发现精拉至Φ1.3时，脆断频繁。我公司技术人员对脆断原因进行检测和分析，成功的找到了脆断的原因，并制定措施进行解决。

1 ER50-6断裂样品分析

为找到脆断的原因，将断裂样品及该批次的母材进行检测。

1.1 样品信息

表1 样品信息与检测内容

1.2 腐蚀条件

样品在室温条件下采用3%硝酸酒精溶液腐蚀5-10秒。

1.3 检测结果

表2 检测结果

本次检测从组织和夹杂物两个层面分析Φ5.5盘条→Φ1.3焊丝的变化情况。

1.3.1 组织变化检测情况

首先在XD30M倒置金相显微镜下观测横截面组织形貌（图1）。Φ5.5盘条样品在500倍的光镜下边部和中心组织类型无显著差异；而在Φ1.3焊丝在500倍的光镜下其铁素体与块状组织清晰可见，心部块状组织总体尺寸更大，边部块状组织相对细小均匀。

图1 横截面组织形貌光镜对比图

其次在JSM-7800F场发射扫描电镜电镜下观察横截面、纵剖面的组织形貌（图2）。Φ5.5盘条样品组织为铁素体+珠光体+三次渗碳体，铁素体与珠光体成沿轧向带状分布，其中铁素体占比较大；而Φ1.3焊丝样品横截面中心存在相对较多和较大的孔洞；纵剖面的组织形貌可以看出：组织由软硬两相组成，软相拉长呈细条状，而块状硬相变形能力差，软相与硬相交界处形成微裂纹级成为断裂源，图中心和下边沿分别有两个夹杂物，夹杂物周围有裂纹。

图2 组织形貌电镜对比图

分析：焊丝钢母材组织为均匀的铁素体+珠光体+三次渗碳体。在拉拔过程中，占比较大的等轴铁素体体晶粒沿着拉拔方向变成细长的组织，其呈现较大的韧性，在金相中呈现软相；在拉拔过程中，随着晶粒的延伸，分布在晶界处三次渗碳体对位错的钉扎作用也越来越大，其塑性差，在金相中呈硬相。铁素体和三次渗碳体之间薄弱部位容易产生裂纹。

故三次渗碳体的产生会导致盘条的拉拔性能变差。

1.3.2 夹杂物变化检测情况

首先采用电镜对Φ5.5盘条样品纵剖面进行夹杂物的形貌和能谱检测，此样品中主要夹杂物为Al2O3-MgO-SiO2-MnS的复合夹杂物，Al2O3-MgO占主导地位，其周围覆盖有一定量的SiO2-MnS。

夹杂物最大约10微米，在夹杂物附近存在微裂纹，如图3。

图3 Φ5.5盘条纵剖面的夹杂物形貌和能谱

其次在Φ5.5盘条纵剖面的夹杂物形貌和能谱面扫描（图4）可以看出：Al2O3-MgO先生成，并为SiO2和MnS提供异质形核核心，最终生成Al2O3-MgO-SiO2-MnS复合夹杂物。

图4 Φ5.5盘条纵剖面夹杂物形貌和能谱扫描图

最后，检测Φ1.3焊丝断口夹杂物情况（图5），断口底部凹坑中存在明显异于周围组织、夹杂物，但凹坑中能谱无信号不能检测确定。断口凸面采用酒精超声波震荡清洗后，未发现典型夹杂物。但在纵剖面200倍的电镜组织形貌检测中发现中心和下沿有两个夹杂物，夹杂物周围有裂纹。

图5 Φ1.3焊丝组织形貌图

分析：盘条中存在以脆性夹杂物Al2O3是导致盘条拉拔脆断的另外一个原因。从检测结果分析，不论拉拔前，还是拉拔后的凹坑处及纵剖面均存在夹杂物，凸面的夹杂物有可能在样品转运、保存不善，改变了样品的原始形貌。

1.4 检测结果分析

从母材和拉拔后的焊丝组织异常来看，未发现有影响拉拔的贝氏体和马氏体组织存在。目前存在的断裂问题是Al2O3脆性夹杂物+三次渗碳体叠加导致。

2 工艺现状分析及改进措施

针对影响Al2O3脆性夹杂物和三次渗碳体生成的因素进行分析。

2.1 工艺流程

ER50-6在新区120t转炉生产，工艺流程如下：KR预处理脱硫→提钒转炉提钒→顶底复吹炼钢转炉冶炼半钢→Ar站吹氩调氧→LF精炼→七机七流方坯连铸机（全程保护浇注+电磁搅拌）→高线轧制。

2.2 脱氧工艺

为控制全氧含量，采用铝锰铁预脱氧，如氩站氧值偏高，采用铝线进一步脱氧。精炼炉采用硅钙粉、碳化硅等不含铝材料进行预脱氧。

2.3 高线控冷工艺

为控制钢中的贝氏体和马氏体的产生，采用过冷度小、冷速慢的方式进行冷却。目前采用降低吐丝温度、降低风冷线辊道速度、关闭风冷线保温罩，控制冷却速度在0.8℃/s~0.9℃/s，组织为F+P。

2.4 工艺分析

采用含铝材料高线的降低钢中的全氧，但受焊丝钢熔敷性能的影响，要求Ca含量越低越好，故Al2O3脆性夹杂物未经过钙处理，无法形成液态的低熔点铝酸盐12CaO·7Al2O3，亦导致钢水结瘤。故高硅高锰的焊丝钢在工艺设计上可采用硅锰合金进行脱氧，避免采用铝脱氧及加入含铝合金带来的高熔点的铝酸盐夹杂物[1]。

铁素体晶界存在的三次渗碳体，是由于缓冷过程中终冷温度偏低，盘条在铁素体转变区域停留时间过长，奥氏体在转变为珠光体过程中向铁素体转变，转变过程中，多余的碳在晶界处形成渗碳体，同时，转变后的铁素体由于碳含量高，在进一步的冷却总析出三次渗碳体[2]。可采用提高吐丝温度和提高辊道速度，提高终止缓冷温度和适当增加冷速，但不得超过1℃/s，控制马氏体和贝氏体的产生。