65Mn彈簧鋼盤條拉拔成型斷裂分析

陳新慈 杜海明 趙賢平 田伏慶 欒中元

(安陽鋼鐵股份有限公司)

0 前言

65Mn 為優質碳素結構鋼，具有強度高、硬度高，淬透性好，脫碳傾向小等優點，經冷軋深加工后用于制造各種截面較小的扁彈簧、圓彈簧、座墊彈簧、彈簧發條等，廣泛應用于汽車、火車等交通運輸工具制造業及電子業［1－2］。

65Mn 盤條加工成彈簧生產工藝流程為:抽檢→酸洗磷化→表面磷化效果檢驗→1 ～3 道次拉拔→3道次連軋→熱處理→電解酸洗→水洗→成品三連軋→頭尾探傷→成品檢驗→入庫。其成品如圖1 所示。

用戶近期使用的一批65Mn 盤條拉拔后在繞制螺旋彈簧成型過程中出現開裂現象，筆者利用直讀光譜儀、FEI QUANTA 200 掃描電子顯微鏡、ZEISS Observer A1m 光學顯微鏡、TMVP －1S 顯微硬度計等儀器對斷裂樣品進行了化學成分分析、斷口分析、顯微組織分析和顯微硬度檢測等，以分析其斷裂原因，達到改進和提升產品質量的目的。

圖1 65Mn 盤條加工的成品彈簧件

1 化學成分分析

對其中兩個斷裂65Mn 彈簧件試樣進行化學成分分析，其結果見表1。

表1 65Mn 化學成分設計與實際檢測結果(質量分數) %

由表1 可知，65Mn 的化學成分檢測結果均符合標準要求和生產控制的要求，且波動很小，其中硫、磷的含量遠低于標準值，另外對比該批次65Mn 正常生產時的檢驗數據，可以看出，各成分之間無明顯差別，由此可判定該批次65Mn 盤條鋼質比較均勻，合金元素含量對盤條拉拔時產生開裂的影響不大。

2 斷口分析

為了更直觀找到影響斷裂的因素，首先利用Quanta 200 掃描電子顯微鏡對65Mn 彈簧件的斷口及缺陷部位進行分析，對試樣缺陷部位進行切割，經超聲波清洗后，觀察發現斷裂的試樣裂紋源起源邊部，邊部存在很多微裂紋，形貌如圖2(a)所示，可以明顯看出，微裂紋的方向基本與彈簧件的軸線呈90 °，且小范圍內基本呈等間距分布在彈簧件的邊緣;少數試樣在邊部發現類似結疤的缺陷，形貌如圖2(b)所示;另有部分試樣在熱處理過程出現了中心縱向開裂的情況，掃描電鏡觀察的照片如圖2(c)所示。

圖2 65Mn 彈簧件缺陷部位形貌

通過掃描電子顯微鏡對微裂紋、結疤、中心開裂處的進一步分析，并未在裂紋源和缺陷附近檢測到異常的化學成分，所以可以排除連鑄時保護渣卷入而形成的缺陷。

3 顯微組織分析

將試樣拋光后，用4%硝酸酒精溶液腐蝕，利用ZEISS Observer A1m 光學顯微鏡進行組織觀察，基體組織為索氏體+珠光體，如圖3(a)所示;邊部存在裂紋的試樣表層附近存在異常組織，主要是萊氏體和網狀滲碳體，如圖3(b)所示;另外少數試樣在邊部裂紋源附近觀察到圖3(c)所示的另類異常組織，該組織形態發生流變，對其進行顯微硬度分析，其硬度值為(HV0．5):514．8、522．8、518．3，接近淬火馬氏體硬度;對邊部出現結疤缺陷的試樣做金相分析，結疤處存在明顯的脫碳現象，如圖3(d)所示;對熱處理過程中出現中心開裂的試樣做金相分析，在試樣中心發現有大量馬氏體組織，如圖3(e)所示。

4 分析與討論

4．1 萊氏體和網狀滲碳體

組織中出現圖3(b)所示的高碳萊氏體和網狀滲碳體，主要是由于鑄坯連鑄過程中操作不當，保護渣中的石墨碳隨鋼液進入結晶器，而造成連鑄坯表面局部增碳［3－4］。使邊部存在碳偏析，從而形成網狀滲碳體，使鋼的脆性大大增加，韌性急劇下降，在拉拔外力的作用下，不能同基體組織同步變形，首先在晶界形成微裂紋，隨著變形增加，裂紋擴展最終引起脆斷［5］。同時，滲碳體的增多對材料的塑性和沖擊韌性也有很大影響，當組織中出現以滲碳體為基體的萊氏體時，塑性降低到接近于零值［6］。連鑄時要嚴格控制結晶過程，盡量避免連鑄坯出現局部碳偏析的情況，可以避免在軋制過程局部出現異常組織萊氏體和網狀滲碳體。

4．2 流變組織

邊部出現如圖3(c)所示的異常組織硬度非常高，接近淬火馬氏體的硬度，通過表面分析，該區域可能是吊裝、運輸或拉拔過程中與地面、車輛、吊具、夾具等碰撞、摩擦后形成的擦傷，在此過程中盤條表面瞬間升溫后又快速冷卻，很容易發生馬氏體轉變，而馬氏體不宜變形，再加上擦傷部位附近的組織也發生明顯流變，容易形成應力集中，在拉拔過程中極易出現微裂紋，甚至出現斷絲現象［7－8］。在實際吊裝、運輸過程中要盡量做到輕拿輕放，另外，盤條在拉拔過程中要保證表面光潔、潤滑良好，盡量避免模具問題對拉拔結果造成影響。

4．3 結疤

結疤一般是指連鑄坯表面的夾渣、裂紋、凹坑等，在軋制過程中形成較薄、扁平的不均勻分布在鋼材表面呈舌狀、指甲狀或魚鱗狀的薄片。由圖3(d)可以看出，結疤處存在嚴重脫碳，出現大量鐵素體，表明該處缺陷來自原鑄坯上的表面裂紋(或局部小裂紋簇)，表面裂紋經高溫加熱其附近的組織產生嚴重脫碳，組織發生變化，在軋制過程中形成結疤［9］。針對表面出現結疤、裂紋等缺陷，在生產中要嚴格控制連鑄過程，及時對鑄坯表面缺陷進行檢查與清理，軋制時要保證軋制節奏穩定，及時對軋材表面質量進行檢查。

圖3 65Mn 基體及缺陷處的金相照片

4．4 淬火馬氏體

部分65Mn 試樣熱處理后出現中心開裂，在金相分析時發現試樣中心存在如圖3(e)所示的淬火組織(高碳片狀馬氏體)。中高碳鋼盤條容易形成中心組織偏析和成分偏析，大多數合金元素(除Co、Al 外)都使點Ms 下降，因而會促進片狀馬氏體的形成。高碳片狀馬氏體的一個重要特點，就是存在大量的顯微裂紋，這種馬氏體的形成速度極快，在其相互碰撞或與奧氏體晶界相撞時將引起相當大的應力場，高碳馬氏體本身又很脆，因此容易形成撞擊裂紋，顯微裂紋的存在增加了高碳馬氏體鋼件的脆性，在內應力的作用下顯微裂紋將會逐漸擴展成為宏觀裂紋，可以導致工件開裂或使工件的疲勞壽命明顯下降［10－11］。針對此類問題，可以通過優化熱處理工藝，完全消除淬火組織，得到均勻的索氏體和珠光體組織，如圖3(a)所示，避免盤條熱處理后中心開裂的問題。

5 結語

1)65Mn 彈簧鋼盤條表面出現局部增碳、結疤和擦傷等異常缺陷是其成型斷裂的主要原因。

2)65Mn 彈簧鋼熱處理后出現中心開裂的主要原因是鉛浴淬火不當，加之芯部成分偏析，在芯部區域析出大量馬氏體組織，形成淬火裂紋。

3)加強生產過程控制，避免盤條在吊裝、運輸、拉拔過程中受到擦傷，是保證盤條拉拔成型時不發生開裂的重要措施。同時優化熱處理工藝，得到均勻的索氏體組織，避免中心縱向開裂的問題。

［1］耿香月，趙乃勤． 工程材料學［M］． 天津:天津大學出版社，2002:108 －110．

［2］吳承建，陳國良，強文江． 金屬材料學［M］． 北京:冶金工業出版社，2000:55 －56．

［3］張全剛，馬志軍，琚艷軍，等． 82B 線材拉拔脆斷原因分析［J］．金屬制品，2007，33(4):16 －19．

［4］李桂英，姜世全． 82B 盤條質量研究［J］． 金屬制品，2005，31(3):42 －44．

［5］姜錫山． 連鑄鋼缺陷分析與對策［M］． 北京:機械工業出版社，2012:260 －262．

［6］崔忠圻． 金屬學與熱處理(鑄造、焊接專業用)［M］． 北京:機械工業出版社，1995:124 －125．

［7］杜海明，趙賢平，陳葛民，等． C72DA 盤條拉拔斷裂分析［J］．金屬制品，2012，38(5):71 －73．

［8］姚文獻，張全剛，李印長，等． 高碳鋼盤條在拉拔前發生脆斷的原因分析［J］． 河南冶金，2014，22(6):35 －37．

［9］龔桂仙，陳士華，蒲紹康，吳立新． 鋼鐵產品缺陷與失效實例分析圖譜［M］． 北京:冶金工業出版社，2012:139．

［10］崔忠圻． 金屬學與熱處理(鑄造、焊接專業用)［M］． 北京:機械工業出版社，1995:262 －263．

［11］崔忠圻，劉北興． 金屬學與熱處理原理(修訂版)［M］． 哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，1995:194 －196．