60Si2MnA盤條繞簧斷裂原因分析

余 超， 王曉蘭， 陸旭霞， 郭 愚

(江蘇永鋼集團有限公司，江蘇 張家港 215628)

引 言

60Si2MnA為Si-Mn系合金彈簧鋼，是中國用量較大、用途廣泛的彈簧鋼品種，主要用于制造鐵道車輛、汽車拖拉機、工業上承受較大負荷的扁形彈簧或直徑≤25 mm的螺旋彈簧[1]。其生產過程的工藝條件比較苛刻，既要控制連鑄坯的偏析、非金屬夾雜物、表面質量，又要嚴控軋制過程的脫碳、表面缺陷和顯微組織，同時，在成品盤條的運輸和吊裝過程中也要防止盤條表面損傷，生產組織的難度非常大。

江蘇永鋼集團有限公司(以下簡稱“永鋼”)近兩年逐步開發彈簧鋼產品，規格為Φ5.5～15 mm，開發初期，一些用戶反饋盤條在繞簧過程中出現了斷裂現象，給用戶生產帶來一定影響。一般而言，彈簧在疲勞試驗或后續使用過程中易發生疲勞斷裂失效，但在繞簧過程中出現斷裂的情況極少。為找出斷裂原因，提高永鋼彈簧鋼品質，收集用戶使用過程中斷裂失效試樣進行分析，查明了60Si2MnA盤條繞簧斷裂的主要原因，并根據分析結果，制訂了解決繞簧斷裂的工藝方案，取得了良好效果。

1 盤條及彈簧生產工藝

1.1 永鋼60Si2MnA盤條生產工藝

轉爐冶煉→LF爐精煉→VD爐→160 mm×160 mm小方坯連鑄→表面修磨→步進式加熱爐→高線軋制→斯太爾摩冷卻線→成品集卷→檢驗→塑料袋包裝→運輸發貨。

1.2 下游用戶彈簧生產工藝

盤條→表面處理(酸洗或機械剝殼)→磷化→皂化→拉拔(減徑2～3mm)→感應加熱→淬火→回火→水冷→涂油→收線→繞簧→回火→磨簧→噴丸→熱強壓→水冷→分選→上漆→包裝入庫。

2 繞簧斷裂原因分析

導致鋼絲生產過程中出現斷裂的原因大致可分為線材本身的質量因素和拉拔過程因素兩類[2]。觀察繞簧斷裂試樣，發現斷裂源均在樣品表面，通過分析斷口形貌和金相組織并結合生產工藝，認為致使彈簧繞簧斷裂的原因主要有三個方面：盤條表面脫碳、原始表面缺陷和表面的機械損傷，下面逐一進行分析。

2.1 表面脫碳引起的斷裂

用戶使用永鋼Φ14 mm規格的60Si2MnA盤條，經正常工藝拉拔和熱處理后繞簧頻繁出現斷裂，樣品宏觀形貌如圖1所示。觀察多對斷口，斷裂源均位于彈簧表面外側，且裂紋源附近表面光滑，未見明顯的宏觀缺陷。

圖1 Φ14 mm樣品宏觀形貌

在圖1(b)劃線位置取樣品橫截面，直接磨削斷面至斷裂源位置觀察金相形貌，斷裂源處未見冶金缺陷，如圖2(a)所示。用4%硝酸酒精浸蝕后發現，斷裂源對應表面有局部全脫碳特征，圓周長度近0.4 mm，深度約0.04 mm，其他部位未見明顯脫碳，基體組織為回火屈氏體，如圖2(b),(c)所示。

全脫碳會導致彈簧鋼絲表面局部淬不上火，造成局部強度明顯低于內部正常組織，由于在后道淬火工序中，表面脫碳層達不到所要求的硬度及力學強度，在交變應力作用下容易產生裂紋[3]。在繞簧的過程中，全脫碳部位若正好位于彈簧的外側表面，且脫碳范圍較大時，外側表面的巨大拉應力會使表面脫碳部位率先形成微裂紋，并導致最終的斷簧。因脫碳會顯著降低彈簧疲勞壽命，即使繞簧時未發生斷裂，在后續的疲勞試驗或使用過程中也會發生早期失效。

圖2 斷裂源處橫截面金相形貌

2.2 原始表面缺陷引起的斷裂

用戶使用永鋼Φ15 mm規格60Si2MnA盤條，正常繞簧時出現斷裂現象，樣品宏觀形貌如圖3所示。觀察5個斷口，有4個樣品斷裂形貌類似，斷裂源位于彈簧外表面，斷裂源一側表面存在肉眼可見的缺陷，如圖3(b),(c)所示。在體視顯微鏡下觀察，表面缺陷間斷出現，無明顯規律，形貌類似于原始盤條表面“折疊”或“翹皮”缺陷。

圖3 Φ15 mm樣品宏觀形貌

圖4 裂紋源處橫截面金相形貌

在圖3(c)劃線位置取樣品橫截面，金相形貌如圖4所示。缺陷呈“V”形裂紋形貌向基體延伸，深度約為0.09 mm，未見其它冶金缺陷，如圖4(a)所示；用4%硝酸酒精浸蝕后觀察，裂紋兩側存在全脫碳特征，其他位置未見明顯脫碳，如圖4(b),(c)所示。

結合缺陷宏觀和微觀形貌判斷，引起此次繞簧斷裂的原因為盤條表面“翹皮”缺陷。從缺陷的特征可見，該缺陷是軋材本身的原始缺陷，是鋼坯表面存在缺陷軋制時無法消除或軋合，盤條表面就形成此類不連續的點狀、鋸齒狀缺陷。這類缺陷破壞了基體的完整性，在繞簧時的拉應力作用下，缺陷成為斷裂源并進一步擴展導致斷簧。

2.3 機械損傷引起的斷裂

用戶使用永鋼Φ10 mm規格60Si2MnA盤條，盤條不經表面處理、拉拔和熱處理等工序直接繞簧，樣品形貌如圖5所示。觀察斷面可知，斷裂源也位于彈簧表面外側，斷裂源一側表面毛糙，表面金屬出現了橫向變形，有明顯挫傷痕跡，如圖5(b),(c)所示。

在圖5(c)劃線位置取樣品縱截面，金相形貌如圖6所示。表面缺陷處存在大量向基體內部延伸的細小裂紋，局部有氧化鐵皮殘留，如圖6(a),(b)所示。用4%硝酸酒精浸蝕后發現，表面缺陷處為加工硬化組織，未見脫碳現象，基體組織為珠光體+鐵素體。

從缺陷的宏觀和微觀形貌來看，導致此次繞簧斷裂的原因為盤條表面存在機械損傷缺陷。這種缺陷一般產生于盤條的運輸和吊裝過程中，包括擦傷、刮傷、擠壓等，盤條表面可見明顯的破損痕跡，且會出現加工硬化組織，在后續的拉拔或繞簧時，極易在缺陷部位發生斷裂。另外，用戶不經其他工序而直接將盤條進行繞簧，也會對彈簧制作過程產生不利影響。

圖5 Φ10 mm樣品宏觀形貌

圖6 裂紋源處縱截面金相形貌

3 表面脫碳機理分析

3.1 脫碳機制

脫碳一般是在高溫時產生，包括碳原子從鋼材內部向表面擴散及其在鋼材表面與爐氣中的氧化性氣體發生反應兩個過程。從碳的擴散角度來看 ,脫碳層厚度主要取決于鋼中含碳量與爐氣碳勢的差異 ，當爐氣的碳勢低于鋼中含碳量時 ，鋼表面碳原子與爐氣發生反應 ，生成的含碳氣體離開鋼表面 ，使鋼表層碳含量降低 ，在表面和內部形成碳的濃度梯度 ，成為碳擴散的驅動力。最外層表面C幾乎完全被反應的部分即為全脫碳，部分C參與反應的次表層稱為半脫碳，兩部分相加即為總脫碳。

3.2 加熱溫度和加熱時間的影響

脫碳反應是吸熱反應 ，一般加熱溫度越高 ，碳的擴散速度越快 ；加熱時間越長 ，脫碳層越厚，并形成全脫碳層。寶鋼公司曾在實驗室研究了 60Si2MnA總脫碳層厚度與加熱時間、加熱溫度關系[4]，結果如圖 7所示 ，彈簧鋼總脫碳層厚度隨加熱溫度的升高、加熱時間的延長而增加。

圖7 總脫碳層厚度與加熱時間、加熱溫度的關系

另有研究表明[5]，鋼坯加熱過程中溫度對脫碳的影響在1150 ℃時達到峰值，在此溫度以上，隨著加熱溫度的增加脫碳不但不增加還會出現下降趨勢。

3.3 爐內氣氛的影響

在加熱爐內鋼材表面可能發生的反應包括[6]：

Fe3C+2O2=3FeO+CO；

Fe3C+H2O=3Fe+CO+H2；

Fe3C+CO2=3Fe+2CO；

2Fe3C+O2=6Fe+2CO

上述反應過程是氧化性爐氣與鋼中碳化鐵相互作用的結果，而水蒸氣的脫碳能力最強 ，其次是 CO2和O2。因此 ,生產中應嚴格控制加熱爐燃燒煤氣中的水含量 ，控制氧質量分數，增加 CO含量。永鋼高線加熱爐采用的燃氣是高爐煤氣，其含水量相對較高，對彈簧鋼脫碳影響較大，需要采取相應措施予以解決。

4 解決措施及效果

通過上述分析可知，造成60Si2MnA盤條繞簧斷裂的主要原因是盤條表面脫碳、原始表面缺陷及機械損傷，其中表面脫碳的影響較復雜，需要從脫碳機理上采取措施，而盤條原始表面缺陷及機械損傷，需要在工藝改進及管理方面共同采取措施。為此，制訂改進措施如下：

(1)減少盤條表面脫碳：鋼坯經表面全修磨后，噴涂納米防氧化涂料；增強加熱爐燃料中的煤氣脫水效果，降低爐內殘氧量；降低加熱溫度和開軋溫度，盡可能減少加熱、軋制過程中的表面氧化。

(2)控制鋼坯表面質量：優化二冷工藝，提高連鑄坯表面質量，并加強對連鑄坯表面質量的檢查；對鋼坯修磨質量進行管控，減少鋼坯表面缺陷。

(3)防止盤條表面損傷：增加盤條包裝袋的厚度，防止倒運過程中的破損，從而使盤條得到有效保護；在堆放過程中，地面鋪設橡膠墊，并控制堆放層數；運輸車輛及吊裝工具加裝保護措施，防止盤條表面擦傷。

采取以上措施后，通過半年的試驗跟蹤，未再發生繞簧斷裂現象，措施效果明顯。

5 結束語

(1)分析結果表明，導致60Si2MnA盤條繞簧斷裂的主要原因是盤條表面質量問題，包括表面全脫碳、原始表面缺陷、機械損傷等。

(2)對脫碳機理進行了分析，明確加熱溫度、加熱時間及爐內氣氛是影響彈簧鋼脫碳的主要因素，為工藝改進提供了依據。

(3)針對問題分析，結合管理因素制訂了相應措施，實施效果明顯，較好地解決了60Si2MnA盤條繞簧斷裂問題。