優碳鋼帶脆斷原因分析與控制措施

劉漢海

（山鋼股份萊蕪分公司技術中心，山東 濟南 271104）

1 前 言

65Mn 鋼常用于制作各種切割鋸條類工具、測力彈簧等各規格彈簧件以及汽車差速器等汽配件，因其碳、錳含量高，具有淬透性強、脫碳傾向小、經濟性好等優點，在工業生產和現代生活中發揮著重用作用。65Mn 鋼是GB/T 711—2017《優質碳素結構鋼熱軋鋼板和鋼帶》標準中的典型牌號，因其服務行業繁雜，服役環境各異，零部件對母材性能、組織要求側重不同，對應的技術要求也相對復雜[1-2］。例如制造汽車摩擦片等汽配件，因斷后伸長率要求較高，一般要求65Mn鋼為退火態交貨[3］；制造高硬度鋸片基體的65Mn 鋼帶，要求其較高硬度及耐磨性，常為冷硬態交貨[4］；制造傳送帶的65Mn，對其表面尺寸精度要求極高，并要求具備高強度、高硬度、高壽命，常為冷硬態與回火態交貨[5-6］。

針對某鋸片加工企業以65Mn熱軋鋼帶為基料冷軋制造高硬度鋸片過程中，鋼帶分剪、重卷時發生的突發脆斷現象，采用力學性能檢驗、化學成分分析、金相組織及掃描電鏡微觀觀察等檢驗方法，結合企業裝備水平與生產實際，對鋼帶脆斷原因進行研究分析，同時介紹了預防鋼帶脆斷的改善措施。

2 取樣與分析

失效鋼帶規格為5.0 mm×1 035 mm 的65Mn 熱軋鋼帶，經廠家采購，用作鋸片生產用冷軋基料，其入庫下料工藝為：原料開卷→縱切分卷（寬帶方向均分3段）→重卷→酸洗→冷軋→退火。原料鋼帶經分剪后在重卷環節發生斷裂，如圖1所示。鋼帶沿著卷曲方向存在輕微內弧，整體平整，無明顯拉矯或磕碰等應力外傷，但表面存在明顯油污、氧化鐵皮，潔凈度較差；斷口呈脆性斷裂特征，心部存在分層裂紋，沿斷面寬帶方向通體觀察，未發現劃傷、凹坑、碰撞、腐蝕等易引起應力集中的宏觀缺陷。

圖1 失效鋼帶形貌

3 性能檢驗

3.1 成分分析與拉伸性能

根據GB/T 711—2017 標準要求，采用ARL iSpark 光譜儀對失效65Mn 鋼帶不同位置（原始軋制邊部、中間部位、縱剪邊一側、斷裂處）分別進行化學成分分析，結果見表1。由表1可知，其化學成分符合標準內控范圍要求。參照GB/T 228—2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》，為減小隨機性誤差，在失效原始鋼帶取拉伸樣3 塊，采用WAW-600D 拉伸試驗機進行拉伸性能檢驗，結果見表2。由表2可知，其拉伸性能符合GB/T 711—2017標準要求，未發現明顯異常。

表1 化學成分（質量分數）%

表2 拉伸性能

3.2 硬度檢驗

為判斷鋼帶不同部位組織性能及均勻性，在其軋制邊、縱剪邊、寬度方向中間位置各取45 mm×55 mm 試樣，對表面修磨除銹拋光，參照GB/T 231[2］.1—2009《金屬材料布氏硬度試驗》標準要求，通過NEXUS 8103RSB布氏硬度計，進行布氏硬度試驗，試驗參數：施壓載荷3 000 kg，載荷時間20 s，單試樣依次測定12數據點，結果見圖2。如圖2所示，試樣硬度值均存在波動，試樣1、2取樣位置靠鋼帶寬度方向1/2、1/4位置，組織相對均勻，硬度適中；試樣3臨近鋼帶軋制邊部，冷卻速度快于1/2、1/4位置，硬度波動相對較大。3 組試樣硬度分布依次為：246～260 HBW（波動值14 HBW）、248～269 HBW（波動值21 HBW）、255～285 HBW（波動值30 HBW）。

圖2 布氏硬度值分布

3.3 金相觀察

采用DK77快走絲線切割將失效鋼帶分段切割，沿鋼帶脆斷邊裂寬度方向，從軋制邊部、寬度中間、縱剪邊部分別取金相樣（記為：金相樣1#、金相樣2#、金相樣3#），磨樣拋光后采用4%硝酸酒精溶液對其腐蝕，通過YJ-1000金相顯微鏡進行組織觀察，參照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》、GB/T 6394—2016.5《金屬平均晶粒度測定方法》，對金相組織分析，并進行晶粒度評定，結果見表3。

表3 金相組織晶粒度評定結果

由表3 可知，失效鋼帶3 組金相試樣的晶粒度均滿足GB/T 711—2017 標準要求（晶粒度≥6 級）。其中1#試樣、2#試樣組織類似，為珠光體+少量鐵素體，1#試樣組織如圖3所示；3#試樣取自鋼帶軋制邊部，組織為珠光體+少量網狀鐵素體，如圖4所示。

圖3 金相樣1#金相組織

圖4 金相樣3#金相組織

由圖3 可知，金相樣1#組織為P+F（P 為深化疊片狀，約占83%，F 為亮色條帶狀，約占17%），晶粒度約6.0級，符合標準要求；由圖4可知，金相樣3#組織為P+F（P 與金相樣1#類似，為深化疊片狀，約占78%，F為呈網狀或半網狀亮色條狀，約占17%），晶粒度約6.5 級，網狀的F 帶包裹了部分P，導致晶界能降低。結合布氏硬度檢驗，存在網狀包裹的P組織其韌塑性差，網狀F 分布不均勻，引起局部組織硬度波動，在對分剪后鋼帶重卷以及下道次工序（酸洗拉矯）時，大載荷拉矯作用力下，極易誘發應力脆斷，是導致該類失效的重要原因。

3.4 掃描電鏡與能譜檢驗

非金屬夾雜物的存在對鋼基體連續性極為不利，割裂組織，其數量、種類、尺寸是誘發性能不合、脆性斷帶的常見因素。因此，需要采用德國蔡司Sigma 500 場發射掃描電子顯微鏡對金相樣3#斷口形貌進行觀察，同時對基體及可疑物質進行EDS能譜定性分析，檢驗是否存在脆性夾雜物或可能引起應力集中的大尺寸析出物分布，結果見圖5、圖6。

圖5 斷裂處掃描電鏡觀察

圖6 斷裂處成分元素能譜

由圖5 可見，掃描電鏡下在50 μm 視場對斷口試樣進行從左至右通體掃描，斷口整體呈脆性解理形貌，韌窩較小且分布不均勻。對其空洞夾雜及鋼基體進行EDS 能譜檢驗，譜圖1 主要為Fe、C、Mn、Si、Ca、Mg、S等元素，成分與精煉爐耐火材料類似；譜圖2 所示為基體組織，主要為Fe、C、Mn 等元素，成分無異常。通體掃描觀察后，未發現其他大尺寸夾雜物，認為鋼基體純凈度較高，存在的夾雜物在標準規定范圍以內，對誘發鋼帶脆斷影響不大。

4 改善措施

綜上所述，失效鋼帶的成分、晶粒度、非金屬夾雜物含量、硬度及拉伸性能滿足GB/T 711—2017標準要求，組織以P為主，某些P片層被亮條狀的網形F包裹，導致晶界能降低，并引起局部硬度波動，在分剪重卷或酸洗拉矯過程中，誘發了鋼帶脆斷，是造成該類失效的根本原因。

65Mn等高碳錳鋼硬度、強度較高，在對其軋制過程中，采用適當降低終軋溫度，同時提高卷取溫度，下線鋼帶應及時堆垛緩冷促進正常組織生成與均勻化；現場條件允許時可配備緩冷坑，在緩冷坑內鋼帶散熱較慢，避風集中，有利于鋼帶自回火，促進碳化物均勻析出及組織均勻化；現場儲運區域不具備緩冷坑，可采用下線鋼帶集中緩冷，65Mn等高碳鋼帶下線入庫，盡可能放置于成品庫中間區域，附近用其他品種熱卷環繞包裹（厚規格效果更佳）。強化車間場地現場管理，做好秋冬低溫季節的現場避風工作，面對雨季及雨雪極端天氣，應暫緩出庫，延長熱卷鋼帶有效緩冷。溫降緩慢，應力逐步釋放，綜合現場管理與各環節配合，可明顯改善該類脆斷問題發生頻次[7-9］。如果客戶已從鋼企提走未完全緩冷的鋼帶產品，又或者鋼帶在發送、儲運過程中遇到陰雨天氣，造成可能誘發性能異常的問題，可采用鋼帶回爐退火，達到組織優化，性能改善的效果，但會增加熱處理工序，實際成本將提高。

5 結 語

針對某鋸片加工企業以65Mn熱軋鋼帶為基料冷軋制造高硬度鋸片過程中，鋼帶分剪、重卷時發生的突發脆斷現象，通過光譜成分、金相組織、硬度檢測等科學分析，認為組織異常，存在網狀或半網狀的鐵素體對珠光體包裹，導致局部硬度波動，晶界能降低，在受到重卷拉力時二次硬化，導致了鋼帶脆斷。鋼廠實際生產中，適當降低終軋溫度，提高卷取溫度，并做好鋼帶緩冷，強化現場管理，促進組織均勻化，可明顯改善脆斷現象。