55SiCr彈簧鋼盤(pán)條組織偏析對(duì)拉拔斷裂的影響

安繪竹 ，車(chē)安 ，劉祥 ，王宏亮 ，徐曦

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司線材廠，遼寧 鞍山 114042）

55SiCr彈簧鋼盤(pán)條用于制造汽車(chē)懸架彈簧，是汽車(chē)底盤(pán)減震系統(tǒng)中的重要部件，主要作用是緩沖和減震。由于長(zhǎng)期在周期性彎曲扭轉(zhuǎn)等交變應(yīng)力條件下工作，承受高頻往復(fù)壓縮運(yùn)動(dòng)，其質(zhì)量對(duì)汽車(chē)平穩(wěn)性、安全性、舒適性有著重要影響。因此要求材料具有較高的強(qiáng)度、較好的疲勞壽命、較優(yōu)的減震性能及足夠的塑韌性，這就對(duì)55SiCr彈簧鋼盤(pán)條組織性能提出了嚴(yán)格要求。鞍鋼股份有限公司在開(kāi)發(fā)55SiCr彈簧鋼時(shí)，出現(xiàn)了下游用戶由Φ14.0 mm拉拔至Φ11.9 mm過(guò)程中發(fā)生拉拔斷裂問(wèn)題，致后續(xù)無(wú)法使用。本文采用金相顯微鏡、掃描電鏡、微區(qū)成分檢驗(yàn)對(duì)盤(pán)條拉拔斷裂原因進(jìn)行了分析，同時(shí)采用電子探針檢驗(yàn)對(duì)國(guó)內(nèi)外各廠55SiCr彈簧鋼成分進(jìn)行微區(qū)成分對(duì)標(biāo)檢驗(yàn)，總結(jié)歸納了導(dǎo)致55SiCr彈簧鋼盤(pán)條拉拔斷裂偏析指數(shù)。

1 檢驗(yàn)分析

1.1 斷口宏觀形貌

55SiCr拉拔斷口宏觀形貌見(jiàn)圖1，斷口呈匹配的筆尖狀和漏斗狀，心部為裂紋源，從斷口形貌來(lái)看，材質(zhì)較脆，靠近斷口的心部出現(xiàn)二次裂紋。斷口心部為裂紋源，縱向試樣心部看到縱多橫向小裂紋。

圖1 斷口宏觀形貌Fig.1 Macroscopic Appearance of Fracture Surface

1.2 斷口處金相組織

對(duì)55SiCr漏斗狀斷口試樣、未斷裂55SiCr試樣進(jìn)行橫縱向金相制樣觀察，斷口心部裂紋形貌及組織偏析帶見(jiàn)圖2。從圖中可以看出斷口心部為裂紋源，且附近出現(xiàn)二次裂紋。縱向試樣心部看到縱多小裂紋，呈一字或人字形排列，縱向試樣中心組織異常且附近發(fā)現(xiàn)多條低溫組織偏析帶，金相組織見(jiàn)圖3。

圖2 斷口心部裂紋形貌及組織偏析帶（50×）Fig.2 Appearance of Crack in Fracture Center and Microstructural Segregation Zone （50×）

圖3 金相組織（500×）Fig.3 Metallographic Microstructure （500×）

1.3 微區(qū)成分檢驗(yàn)

1.3.1 斷口處微區(qū)成分檢驗(yàn)

采用電子探針對(duì)裂紋區(qū)域、未斷裂試樣進(jìn)行C、Cr、Mn、Si微區(qū)成分線掃描檢驗(yàn)，用偏析指數(shù)來(lái)衡量截面某一區(qū)域各元素的分布情況，進(jìn)而評(píng)價(jià)該區(qū)域元素的偏析情況。對(duì)試樣進(jìn)行中心偏析點(diǎn)處的微區(qū)線掃，三次均值檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明：盤(pán)條心部裂紋處存在Cr、Mn、Si元素的正偏析，其中Cr、Mn偏析指數(shù)較大，偏析嚴(yán)重。Cr偏析指數(shù)達(dá)1.50，較未斷絲平均偏析指數(shù)高0.23；Mn偏析指數(shù)達(dá)1.54，較未斷絲平均偏析指數(shù)高0.28；Si偏析指數(shù)達(dá)1.42，較未斷絲平均偏析指數(shù)高0.20。

表1 三次均值檢驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of Mean Values by Testing for Three Times

1.3.2 微區(qū)成分對(duì)標(biāo)分析

目前為止，暫無(wú)采用微區(qū)成分分析方法來(lái)衡量彈簧鋼組織偏析程度對(duì)拉拔斷裂影響的相關(guān)報(bào)道。總結(jié)歸納55SiCr彈簧鋼拉拔斷裂的偏析指數(shù)，可對(duì)后續(xù)更高級(jí)別彈簧鋼及其他高品質(zhì)鋼種的開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)依據(jù)，因此本文采用微區(qū)成分分析對(duì)國(guó)內(nèi)外具有代表性的3個(gè)廠55SiCr彈簧鋼C、Si、Mn、Cr成分進(jìn)行電子探針對(duì)標(biāo)檢驗(yàn)，各鋼廠試樣為正常盤(pán)條試樣，樣本數(shù)量為10，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 國(guó)內(nèi)外具有代表性的3個(gè)廠55SiCr彈簧鋼C、Si、Mn、Cr偏析指數(shù)檢驗(yàn)結(jié)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

通過(guò)表 2可看出，各鋼廠 C、Mn、Cr、Si偏析控制情況是：鞍鋼C偏析指數(shù)偏大，寶鋼及浦項(xiàng)控制較好；寶鋼Mn、Cr、Si偏析指數(shù)控制較好，寶鋼Mn、Si、Cr偏析指數(shù)較鞍鋼低 0.03、0.06、0.10，鞍鋼與浦項(xiàng)相當(dāng)。綜上，一般Cr、Mn元素偏析對(duì)拉拔斷裂影響較大，當(dāng)Cr、Mn偏析指數(shù)達(dá)到1.50以上，拉拔斷裂傾向加大，而C偏析指數(shù)在1.20以下，Mn、Cr、Si偏析指數(shù)控制在1.30以下是正常水平。

2 討論分析

拉拔斷口呈筆尖和漏斗狀，斷口中心及其附近存在多條低溫組織偏析帶，且偏析帶上存在縱多橫向小裂紋，呈一字形排列。斷口附近金相組織為屈氏體+馬氏體+鐵素體，遠(yuǎn)離斷口處金相組織為正常的珠光體+鐵素體。

盤(pán)條在下游拉拔過(guò)程中，若心部存在馬氏體等異常組織時(shí)，該組織硬而脆，且其變形不均勻，心部會(huì)率先形成微裂紋，微裂紋不會(huì)直接向兩側(cè)擴(kuò)展，而是在兩側(cè)壓縮應(yīng)力的作用下呈人字或一字形擴(kuò)展，形成裂紋。裂紋擴(kuò)展前沿最大切應(yīng)力方向與拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力的比值有關(guān)，一般約與拉拔方向呈45°擴(kuò)展。隨著拉拔，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展并最終斷裂，最終形成匹配的筆尖和漏斗狀斷口。因此，盤(pán)條出現(xiàn)異常組織是導(dǎo)致盤(pán)條拉拔斷裂的直接原因。遠(yuǎn)離斷口的組織正常，而斷口處Cr、Mn、Si存在成分偏析，尤其是Cr、Mn元素，會(huì)增加鋼的淬透性，在偏析區(qū)域極易產(chǎn)生低溫組織，形成馬氏體組織偏析帶。

本文采用微區(qū)成分分析方法總結(jié)歸納了衡量彈簧鋼組織偏析程度與拉拔斷裂之間關(guān)系的偏析指數(shù)，并對(duì)國(guó)內(nèi)外具有代表性的3個(gè)廠55SiCr彈簧鋼C、Si、Mn、Cr偏析指數(shù)進(jìn)行了對(duì)標(biāo)分析。研究表明，斷絲試樣Mn、Cr、Si偏析指數(shù)較大，C偏析指數(shù)無(wú)明顯差異；高碳鋼C偏析指數(shù)評(píng)價(jià)與Si、Mn、Cr不大相同，一般來(lái)說(shuō)高碳鋼C偏析指數(shù)達(dá)1.20以上可算嚴(yán)重偏析，而對(duì)于55SiCr彈簧鋼Mn、Cr達(dá)到1.50以上、Si達(dá)1.40以上會(huì)加大后續(xù)拉拔斷裂傾向。

3 改進(jìn)措施

（1）提高工裝水平及精度。充分利用末端電磁攪拌及壓下功能和中間包加熱功能，促進(jìn)溶質(zhì)再分配，使元素?cái)U(kuò)散更加均勻；

（2）保證煉鋼生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性。保證連鑄拉坯恒速率，提高拉坯穩(wěn)定性，減少質(zhì)量波動(dòng)；保證連鑄過(guò)程中過(guò)熱度的控制，使鑄坯凝固更均勻，增加等軸晶比例；

（3）優(yōu)化軋鋼生產(chǎn)工藝。在保證產(chǎn)品性能的條件下，可適當(dāng)調(diào)整軋后冷卻速度，降低偏析區(qū)域產(chǎn)生低溫組織的臨界冷卻速度。

4 結(jié)論

（1）55SiCr彈簧鋼在下游用戶拉拔時(shí)發(fā)生斷裂是由于盤(pán)條心部及附近存在Si、Mn、Cr成分偏析，增加了鋼的淬透性，在偏析區(qū)域產(chǎn)生低溫組織，形成馬氏體組織偏析帶。拉拔斷口呈匹配的筆尖和漏斗狀，且斷口處低溫組織偏析帶上存在縱多呈一字或人字形排列的小裂紋。

（2）對(duì)于彈簧鋼 55SiCr，當(dāng) C偏析指數(shù)在1.20 以下，Mn、Cr、Si偏析指數(shù)在 1.30 以下時(shí)，鋼的偏析控制水平是正常水平。

（3）采用微區(qū)成分分析方法總結(jié)歸納了衡量彈簧鋼組織偏析程度與拉拔斷裂之間關(guān)系的偏析指數(shù)，當(dāng)彈簧鋼Mn、Cr平均偏析指數(shù)在1.50以上、Si平均偏析指數(shù)在1.40以上時(shí)，會(huì)加大后續(xù)拉拔斷裂傾向。