优碳钢带脆断原因分析与控制措施

刘汉海

（山钢股份莱芜分公司技术中心，山东 济南 271104）

1 前 言

65Mn 钢常用于制作各种切割锯条类工具、测力弹簧等各规格弹簧件以及汽车差速器等汽配件，因其碳、锰含量高，具有淬透性强、脱碳倾向小、经济性好等优点，在工业生产和现代生活中发挥着重用作用。65Mn 钢是GB/T 711—2017《优质碳素结构钢热轧钢板和钢带》标准中的典型牌号，因其服务行业繁杂，服役环境各异，零部件对母材性能、组织要求侧重不同，对应的技术要求也相对复杂[1-2］。例如制造汽车摩擦片等汽配件，因断后伸长率要求较高，一般要求65Mn钢为退火态交货[3］；制造高硬度锯片基体的65Mn 钢带，要求其较高硬度及耐磨性，常为冷硬态交货[4］；制造传送带的65Mn，对其表面尺寸精度要求极高，并要求具备高强度、高硬度、高寿命，常为冷硬态与回火态交货[5-6］。

针对某锯片加工企业以65Mn热轧钢带为基料冷轧制造高硬度锯片过程中，钢带分剪、重卷时发生的突发脆断现象，采用力学性能检验、化学成分分析、金相组织及扫描电镜微观观察等检验方法，结合企业装备水平与生产实际，对钢带脆断原因进行研究分析，同时介绍了预防钢带脆断的改善措施。

2 取样与分析

失效钢带规格为5.0 mm×1 035 mm 的65Mn 热轧钢带，经厂家采购，用作锯片生产用冷轧基料，其入库下料工艺为：原料开卷→纵切分卷（宽带方向均分3段）→重卷→酸洗→冷轧→退火。原料钢带经分剪后在重卷环节发生断裂，如图1所示。钢带沿着卷曲方向存在轻微内弧，整体平整，无明显拉矫或磕碰等应力外伤，但表面存在明显油污、氧化铁皮，洁净度较差；断口呈脆性断裂特征，心部存在分层裂纹，沿断面宽带方向通体观察，未发现划伤、凹坑、碰撞、腐蚀等易引起应力集中的宏观缺陷。

图1 失效钢带形貌

3 性能检验

3.1 成分分析与拉伸性能

根据GB/T 711—2017 标准要求，采用ARL iSpark 光谱仪对失效65Mn 钢带不同位置（原始轧制边部、中间部位、纵剪边一侧、断裂处）分别进行化学成分分析，结果见表1。由表1可知，其化学成分符合标准内控范围要求。参照GB/T 228—2010《金属材料室温拉伸试验方法》，为减小随机性误差，在失效原始钢带取拉伸样3 块，采用WAW-600D 拉伸试验机进行拉伸性能检验，结果见表2。由表2可知，其拉伸性能符合GB/T 711—2017标准要求，未发现明显异常。

表1 化学成分（质量分数）%

表2 拉伸性能

3.2 硬度检验

为判断钢带不同部位组织性能及均匀性，在其轧制边、纵剪边、宽度方向中间位置各取45 mm×55 mm 试样，对表面修磨除锈抛光，参照GB/T 231[2］.1—2009《金属材料布氏硬度试验》标准要求，通过NEXUS 8103RSB布氏硬度计，进行布氏硬度试验，试验参数：施压载荷3 000 kg，载荷时间20 s，单试样依次测定12数据点，结果见图2。如图2所示，试样硬度值均存在波动，试样1、2取样位置靠钢带宽度方向1/2、1/4位置，组织相对均匀，硬度适中；试样3临近钢带轧制边部，冷却速度快于1/2、1/4位置，硬度波动相对较大。3 组试样硬度分布依次为：246～260 HBW（波动值14 HBW）、248～269 HBW（波动值21 HBW）、255～285 HBW（波动值30 HBW）。

图2 布氏硬度值分布

3.3 金相观察

采用DK77快走丝线切割将失效钢带分段切割，沿钢带脆断边裂宽度方向，从轧制边部、宽度中间、纵剪边部分别取金相样（记为：金相样1#、金相样2#、金相样3#），磨样抛光后采用4%硝酸酒精溶液对其腐蚀，通过YJ-1000金相显微镜进行组织观察，参照GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》、GB/T 6394—2016.5《金属平均晶粒度测定方法》，对金相组织分析，并进行晶粒度评定，结果见表3。

表3 金相组织晶粒度评定结果

由表3 可知，失效钢带3 组金相试样的晶粒度均满足GB/T 711—2017 标准要求（晶粒度≥6 级）。其中1#试样、2#试样组织类似，为珠光体+少量铁素体，1#试样组织如图3所示；3#试样取自钢带轧制边部，组织为珠光体+少量网状铁素体，如图4所示。

图3 金相样1#金相组织

图4 金相样3#金相组织

由图3 可知，金相样1#组织为P+F（P 为深化叠片状，约占83%，F 为亮色条带状，约占17%），晶粒度约6.0级，符合标准要求；由图4可知，金相样3#组织为P+F（P 与金相样1#类似，为深化叠片状，约占78%，F为呈网状或半网状亮色条状，约占17%），晶粒度约6.5 级，网状的F 带包裹了部分P，导致晶界能降低。结合布氏硬度检验，存在网状包裹的P组织其韧塑性差，网状F 分布不均匀，引起局部组织硬度波动，在对分剪后钢带重卷以及下道次工序（酸洗拉矫）时，大载荷拉矫作用力下，极易诱发应力脆断，是导致该类失效的重要原因。

3.4 扫描电镜与能谱检验

非金属夹杂物的存在对钢基体连续性极为不利，割裂组织，其数量、种类、尺寸是诱发性能不合、脆性断带的常见因素。因此，需要采用德国蔡司Sigma 500 场发射扫描电子显微镜对金相样3#断口形貌进行观察，同时对基体及可疑物质进行EDS能谱定性分析，检验是否存在脆性夹杂物或可能引起应力集中的大尺寸析出物分布，结果见图5、图6。

图5 断裂处扫描电镜观察

图6 断裂处成分元素能谱

由图5 可见，扫描电镜下在50 μm 视场对断口试样进行从左至右通体扫描，断口整体呈脆性解理形貌，韧窝较小且分布不均匀。对其空洞夹杂及钢基体进行EDS 能谱检验，谱图1 主要为Fe、C、Mn、Si、Ca、Mg、S等元素，成分与精炼炉耐火材料类似；谱图2 所示为基体组织，主要为Fe、C、Mn 等元素，成分无异常。通体扫描观察后，未发现其他大尺寸夹杂物，认为钢基体纯净度较高，存在的夹杂物在标准规定范围以内，对诱发钢带脆断影响不大。

4 改善措施

综上所述，失效钢带的成分、晶粒度、非金属夹杂物含量、硬度及拉伸性能满足GB/T 711—2017标准要求，组织以P为主，某些P片层被亮条状的网形F包裹，导致晶界能降低，并引起局部硬度波动，在分剪重卷或酸洗拉矫过程中，诱发了钢带脆断，是造成该类失效的根本原因。

65Mn等高碳锰钢硬度、强度较高，在对其轧制过程中，采用适当降低终轧温度，同时提高卷取温度，下线钢带应及时堆垛缓冷促进正常组织生成与均匀化；现场条件允许时可配备缓冷坑，在缓冷坑内钢带散热较慢，避风集中，有利于钢带自回火，促进碳化物均匀析出及组织均匀化；现场储运区域不具备缓冷坑，可采用下线钢带集中缓冷，65Mn等高碳钢带下线入库，尽可能放置于成品库中间区域，附近用其他品种热卷环绕包裹（厚规格效果更佳）。强化车间场地现场管理，做好秋冬低温季节的现场避风工作，面对雨季及雨雪极端天气，应暂缓出库，延长热卷钢带有效缓冷。温降缓慢，应力逐步释放，综合现场管理与各环节配合，可明显改善该类脆断问题发生频次[7-9］。如果客户已从钢企提走未完全缓冷的钢带产品，又或者钢带在发送、储运过程中遇到阴雨天气，造成可能诱发性能异常的问题，可采用钢带回炉退火，达到组织优化，性能改善的效果，但会增加热处理工序，实际成本将提高。

5 结 语

针对某锯片加工企业以65Mn热轧钢带为基料冷轧制造高硬度锯片过程中，钢带分剪、重卷时发生的突发脆断现象，通过光谱成分、金相组织、硬度检测等科学分析，认为组织异常，存在网状或半网状的铁素体对珠光体包裹，导致局部硬度波动，晶界能降低，在受到重卷拉力时二次硬化，导致了钢带脆断。钢厂实际生产中，适当降低终轧温度，提高卷取温度，并做好钢带缓冷，强化现场管理，促进组织均匀化，可明显改善脆断现象。