劉甲明，王超峰，楊為國，胡 平，陸明和

（1.煙臺魯寶鋼管有限責(zé)任公司，山東 煙臺 265500；2.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

芯棒是限動芯棒連軋管機(jī)組重要的變形工具，通過軋輥與芯棒共同作用，毛管被軋成所要求的尺寸。芯棒由尾柄、延伸桿、工作棒通過螺紋方式連接而成，由于軋管過程中受到縱向拉力、橫向振動等影響，延伸桿與工作棒連接處為薄弱點，易斷裂。芯棒斷裂會造成軋管機(jī)堆鋼、脫管機(jī)架損壞等惡性事故，造成長時間停機(jī)［1-12］。本文根據(jù)芯棒斷裂宏觀形貌、力學(xué)性能、顯微組織方面分析了芯棒斷裂失效原因。

1 宏觀形貌

Φ444.1 mm芯棒斷裂處宏觀形貌如圖1所示，斷裂處位于工作棒外螺紋處，斷口形貌為脆性斷裂。

2 試驗分析

2.1 取樣位置

金相、橫向沖擊和拉伸取樣位置如圖2所示。其中，沖擊試樣在芯棒1/2半徑位置取樣，規(guī)格為10 mm×10 mm×55 mm，V型缺口；拉伸試樣同樣在芯棒1/2半徑位置取樣，M16，試樣直徑do=10 mm，試樣總長度Lt=128 mm；金相硬度試樣沿芯棒徑向取一長條。

2.2 性能結(jié)果

拉伸、沖擊性能試樣均在芯棒的1/2半徑位置取樣。芯棒的力學(xué)性能見表1，結(jié)果顯示沖擊性能不合格，單個值和平均值均低于20 J。

2.3 徑向硬度與顯微組織的變化

2.3.1 硬度變化

反映淬透性指標(biāo)的芯棒徑向硬度變化情況如圖3所示，可見硬度沿徑向分布基本均勻，未呈現(xiàn)明顯的變化趨勢，硬度值約為30 HRC。這反映出H13材質(zhì)芯棒的淬透性非常好，符合淬透性要求。但硬度低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中 315～380 HB（33.3～40.8 HRC）硬度值的下限。

圖1 芯棒斷裂處宏觀形貌示意

圖2 芯棒金相組織、橫向沖擊和拉伸試樣取樣位置示意

表1 芯棒的力學(xué)性能

圖3 芯棒徑向硬度變化情況

2.3.2 顯微組織變化

芯棒顯微組織如圖4所示。從圖4可以看出，芯棒在1/2半徑位置處的金相組織，其平均晶粒尺寸為20 μm，但在該處的液析碳化物數(shù)量多且長條狀數(shù)量居多、尺寸大且常見多個液析碳化物聚集或成串分布。由于沖擊取樣位置按標(biāo)準(zhǔn)在1/2半徑處，因而在液析碳化物上的差異是導(dǎo)致芯棒沖擊功值較低的組織上的原因（室溫沖擊性能AkV2平均值為 10.3 J）。

芯棒1/2半徑和心部兩處位置的液析碳化物等級未見明顯差異，這主要與冶煉工藝為電渣重熔有關(guān)，不同于常規(guī)模鑄，由于心部偏析程度大于1/2半徑，因而心部液析碳化物等級嚴(yán)重于1/2半徑。通過徑向液析碳化物等級無明顯梯度差異也可反映出電渣重熔鋼的優(yōu)點，沿徑向沖擊性能應(yīng)較穩(wěn)定。

圖4 芯棒顯微組織

3 分析與討論

一方面，表面形成的損傷在芯棒受力時可能成為應(yīng)力集中位置，易于因局部應(yīng)力過大而在表面形成裂紋。另一方面，如果材料自身的韌性又不足，就會導(dǎo)致芯棒在受到外力作用時，在應(yīng)力集中位置（螺紋損傷位置）易于形成裂紋并迅速沿橫截面擴(kuò)展，從而發(fā)生整體斷裂。

電渣重熔+鍛造工藝生產(chǎn)的芯棒從表面至心部的組織較為細(xì)小，對韌性有利。但該斷裂芯棒在徑向各位置的液析碳化物數(shù)量均較多，形狀多成長條狀，且多個液析碳化物聚集呈鏈狀分布，如將液析碳化物視作“夾雜物”，則“有效夾雜物”的尺寸較大，因而對韌性不利，這是造成芯棒斷裂的主要原因。