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        65Mn彈簧鋼盤條拉拔成型斷裂分析

        2015-12-22 06:21:08陳新慈杜海明趙賢平田伏慶欒中元
        河南冶金 2015年2期
        關(guān)鍵詞:滲碳體結(jié)疤盤條

        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(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,具有強(qiáng)度高、硬度高,淬透性好,脫碳傾向小等優(yōu)點(diǎn),經(jīng)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(fā)條等,廣泛應(yīng)用于汽車、火車等交通運(yùn)輸工具制造業(yè)及電子業(yè)[1-2]。

        65Mn 盤條加工成彈簧生產(chǎn)工藝流程為:抽檢→酸洗磷化→表面磷化效果檢驗(yàn)→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(yàn)→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(xiàn)開裂現(xiàn)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(xué)顯微鏡、TMVP -1S 顯微硬度計(jì)等儀器對斷裂樣品進(jìn)行了化學(xué)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(dá)到改進(jìn)和提升產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

        圖1 65Mn 盤條加工的成品彈簧件

        1 化學(xué)成分分析

        對其中兩個(gè)斷裂65Mn 彈簧件試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,其結(jié)果見表1。

        表1 65Mn 化學(xué)成分設(shè)計(jì)與實(shí)際檢測結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

        由表1 可知,65Mn 的化學(xué)成分檢測結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求和生產(chǎn)控制的要求,且波動(dòng)很小,其中硫、磷的含量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值,另外對比該批次65Mn 正常生產(chǎn)時(shí)的檢驗(yàn)數(shù)據(jù),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(zhì)比較均勻,合金元素含量對盤條拉拔時(shí)產(chǎn)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(jìn)行分析,對試樣缺陷部位進(jìn)行切割,經(jīng)超聲波清洗后,觀察發(fā)現(xiàn)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(nèi)基本呈等間距分布在彈簧件的邊緣;少數(shù)試樣在邊部發(fā)現(xiàn)類似結(jié)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(xiàn)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(jié)疤、中心開裂處的進(jìn)一步分析,并未在裂紋源和缺陷附近檢測到異常的化學(xué)成分,所以可以排除連鑄時(shí)保護(hù)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(xué)顯微鏡進(jìn)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(wǎng)狀滲碳體,如圖3(b)所示;另外少數(shù)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(tài)發(fā)生流變,對其進(jìn)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(xiàn)結(jié)疤缺陷的試樣做金相分析,結(jié)疤處存在明顯的脫碳現(xiàn)象,如圖3(d)所示;對熱處理過程中出現(xiàn)中心開裂的試樣做金相分析,在試樣中心發(fā)現(xiàn)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(wǎng)狀滲碳體

        組織中出現(xiàn)圖3(b)所示的高碳萊氏體和網(wǎng)狀滲碳體,主要是由于鑄坯連鑄過程中操作不當(dāng),保護(hù)渣中的石墨碳隨鋼液進(jìn)入結(jié)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(wǎng)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(kuò)展最終引起脆斷[5]。同時(shí),滲碳體的增多對材料的塑性和沖擊韌性也有很大影響,當(dāng)組織中出現(xiàn)以滲碳體為基體的萊氏體時(shí),塑性降低到接近于零值[6]。連鑄時(shí)要嚴(yán)格控制結(jié)晶過程,盡量避免連鑄坯出現(xiàn)局部碳偏析的情況,可以避免在軋制過程局部出現(xiàn)異常組織萊氏體和網(wǎng)狀滲碳體。

        4.2 流變組織

        邊部出現(xiàn)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(qū)域可能是吊裝、運(yùn)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(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變,而馬氏體不宜變形,再加上擦傷部位附近的組織也發(fā)生明顯流變,容易形成應(yīng)力集中,在拉拔過程中極易出現(xiàn)微裂紋,甚至出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象[7-8]。在實(shí)際吊裝、運(yùn)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(jié)果造成影響。

        4.3 結(jié)疤

        結(jié)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(jié)疤處存在嚴(yán)重脫碳,出現(xiàn)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(jīng)高溫加熱其附近的組織產(chǎn)生嚴(yán)重脫碳,組織發(fā)生變化,在軋制過程中形成結(jié)疤[9]。針對表面出現(xiàn)結(jié)疤、裂紋等缺陷,在生產(chǎn)中要嚴(yán)格控制連鑄過程,及時(shí)對鑄坯表面缺陷進(jìn)行檢查與清理,軋制時(shí)要保證軋制節(jié)奏穩(wěn)定,及時(shí)對軋材表面質(zhì)量進(jìn)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(xiàn)中心開裂,在金相分析時(shí)發(fā)現(xiàn)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(shù)合金元素(除Co、Al 外)都使點(diǎn)Ms 下降,因而會(huì)促進(jìn)片狀馬氏體的形成。高碳片狀馬氏體的一個(gè)重要特點(diǎn),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(shí)將引起相當(dāng)大的應(yīng)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(nèi)應(yīng)力的作用下顯微裂紋將會(huì)逐漸擴(kuò)展成為宏觀裂紋,可以導(dǎo)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(yōu)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(jié)語

        1)65Mn 彈簧鋼盤條表面出現(xiàn)局部增碳、結(jié)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(xiàn)中心開裂的主要原因是鉛浴淬火不當(dāng),加之芯部成分偏析,在芯部區(qū)域析出大量馬氏體組織,形成淬火裂紋。

        3)加強(qiáng)生產(chǎn)過程控制,避免盤條在吊裝、運(yùn)輸、拉拔過程中受到擦傷,是保證盤條拉拔成型時(shí)不發(fā)生開裂的重要措施。同時(shí)優(yōu)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。

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