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        55SiCr彈簧鋼盤條組織偏析對拉拔斷裂的影響

        2021-04-20 03:37:34安繪竹車安劉祥王宏亮徐曦
        鞍鋼技術(shù) 2021年2期
        關(guān)鍵詞:彈簧鋼微區(qū)盤條

        安繪竹 ,車安 ,劉祥 ,王宏亮 ,徐曦

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

        55SiCr彈簧鋼盤條用于制造汽車懸架彈簧,是汽車底盤減震系統(tǒng)中的重要部件,主要作用是緩沖和減震。由于長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)壓縮運動,其質(zhì)量對汽車平穩(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55SiCr彈簧鋼盤條組織性能提出了嚴格要求。鞍鋼股份有限公司在開發(fā)55SiCr彈簧鋼時,出現(xiàn)了下游用戶由Φ14.0 mm拉拔至Φ11.9 mm過程中發(fā)生拉拔斷裂問題,致后續(xù)無法使用。本文采用金相顯微鏡、掃描電鏡、微區(qū)成分檢驗對盤條拉拔斷裂原因進行了分析,同時采用電子探針檢驗對國內(nèi)外各廠55SiCr彈簧鋼成分進行微區(qū)成分對標檢驗,總結(jié)歸納了導(dǎo)致55SiCr彈簧鋼盤條拉拔斷裂偏析指數(shù)。

        1 檢驗分析

        1.1 斷口宏觀形貌

        55SiCr拉拔斷口宏觀形貌見圖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55SiCr漏斗狀斷口試樣、未斷裂55SiCr試樣進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??v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

        1.3.1 斷口處微區(qū)成分檢驗

        采用電子探針對裂紋區(qū)域、未斷裂試樣進行C、Cr、Mn、Si微區(qū)成分線掃描檢驗,用偏析指數(shù)來衡量截面某一區(qū)域各元素的分布情況,進而評價該區(qū)域元素的偏析情況。對試樣進行中心偏析點處的微區(qū)線掃,三次均值檢驗結(jié)果見表1。結(jié)果表明:盤條心部裂紋處存在Cr、Mn、Si元素的正偏析,其中Cr、Mn偏析指數(shù)較大,偏析嚴重。Cr偏析指數(shù)達1.50,較未斷絲平均偏析指數(shù)高0.23;Mn偏析指數(shù)達1.54,較未斷絲平均偏析指數(shù)高0.28;Si偏析指數(shù)達1.42,較未斷絲平均偏析指數(shù)高0.20。

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

        1.3.2 微區(qū)成分對標分析

        目前為止,暫無采用微區(qū)成分分析方法來衡量彈簧鋼組織偏析程度對拉拔斷裂影響的相關(guān)報道。總結(jié)歸納55SiCr彈簧鋼拉拔斷裂的偏析指數(shù),可對后續(xù)更高級別彈簧鋼及其他高品質(zhì)鋼種的開發(fā)提供指導(dǎo)依據(jù),因此本文采用微區(qū)成分分析對國內(nèi)外具有代表性的3個廠55SiCr彈簧鋼C、Si、Mn、Cr成分進行電子探針對標檢驗,各鋼廠試樣為正常盤條試樣,樣本數(shù)量為10,檢驗結(jié)果見表2。

        表2 國內(nèi)外具有代表性的3個廠55SiCr彈簧鋼C、Si、Mn、Cr偏析指數(shù)檢驗結(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,鞍鋼與浦項相當(dāng)。綜上,一般Cr、Mn元素偏析對拉拔斷裂影響較大,當(dāng)Cr、Mn偏析指數(shù)達到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,遠離斷口處金相組織為正常的珠光體+鐵素體。

        盤條在下游拉拔過程中,若心部存在馬氏體等異常組織時,該組織硬而脆,且其變形不均勻,心部會率先形成微裂紋,微裂紋不會直接向兩側(cè)擴展,而是在兩側(cè)壓縮應(yīng)力的作用下呈人字或一字形擴展,形成裂紋。裂紋擴展前沿最大切應(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°擴展。隨著拉拔,裂紋繼續(xù)擴展并最終斷裂,最終形成匹配的筆尖和漏斗狀斷口。因此,盤條出現(xiàn)異常組織是導(dǎo)致盤條拉拔斷裂的直接原因。遠離斷口的組織正常,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),并對國內(nèi)外具有代表性的3個廠55SiCr彈簧鋼C、Si、Mn、Cr偏析指數(shù)進行了對標分析。研究表明,斷絲試樣Mn、Cr、Si偏析指數(shù)較大,C偏析指數(shù)無明顯差異;高碳鋼C偏析指數(shù)評價與Si、Mn、Cr不大相同,一般來說高碳鋼C偏析指數(shù)達1.20以上可算嚴重偏析,而對于55SiCr彈簧鋼Mn、Cr達到1.50以上、Si達1.40以上會加大后續(xù)拉拔斷裂傾向。

        3 改進措施

        (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,促進溶質(zhì)再分配,使元素擴散更加均勻;

        (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;保證連鑄過程中過熱度的控制,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發(fā)生斷裂是由于盤條心部及附近存在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,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,會加大后續(xù)拉拔斷裂傾向。

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