田慶榮，劉瑩

（天津鋼鐵集團有限公司技術中心，天津300301）

77MnCr鋼絲筆尖狀斷口形態(tài)的分析

田慶榮，劉瑩

（天津鋼鐵集團有限公司技術中心，天津300301）

某預應力鋼絲生產(chǎn)廠在使用Φ12.5mm的77MnCr盤條生產(chǎn)Φ7.0mm的螺旋肋預應力鋼絲時，常在拉拔過程中發(fā)生斷線的現(xiàn)象。針對該問題，利用光學顯微鏡、掃描電鏡和能譜儀對77MnCr盤條在冷拉拔過程中產(chǎn)生筆尖狀斷口的斷裂試樣進行了系統(tǒng)檢測和分析。檢驗結果表明，試樣中心部位存在的“V”形裂紋是造成盤條在拉拔過程中產(chǎn)生斷裂的裂紋源。經(jīng)分析得出V形裂紋的形成與盤條心部存在的網(wǎng)狀滲碳體有關，而網(wǎng)狀滲碳體的產(chǎn)生與連鑄坯中心偏析，尤其是碳偏析和盤條軋制過程中的冷卻速度有著十分緊密的關系。

77MnCr盤條筆尖狀斷口網(wǎng)狀滲碳體中心碳偏析

1 引言

某預應力鋼絲生產(chǎn)廠在使用Φ12.5mm的77Mn－Cr盤條生產(chǎn)Φ7.0mm的螺旋肋預應力鋼絲時，常在拉拔過程中發(fā)生斷線的現(xiàn)象，降低了生產(chǎn)節(jié)奏，給廠家的生產(chǎn)和經(jīng)濟效益帶來很大的影響。根據(jù)檢查發(fā)現(xiàn)，在產(chǎn)生拉拔斷線的斷口形態(tài)中以筆尖狀斷口形貌最為普遍。因此我們對發(fā)生斷裂的鋼絲過程線進行系統(tǒng)分析，找出筆尖轉(zhuǎn)斷口形態(tài)的形成機理，為提高產(chǎn)品質(zhì)量提供改進措施。

2 檢驗與分析

2.1 斷口宏觀檢驗

產(chǎn)生拉拔斷裂的鋼絲斷口形貌為筆尖狀形態(tài)，即斷口的一端為錐體，像一個筆尖，另一端為錐孔呈凹陷狀（如圖1所示）。筆尖的尖頭位置基本上是處于鋼絲的中心部位。這種斷口沒明顯的有放射區(qū)，整個錐面都屬于剪切唇。

2.2 化學成分檢驗

取拉拔斷裂試樣進行化學成分檢驗，檢驗結果示該試樣的碳含量為0.81%，已經(jīng)超過了共析點成分，達到了過共析鋼的成分范圍。其他元素的含量分別為Si:0.23%，Mn:0.68%，Cr:0.30%，P:0.015%，S:0.016%。

2.3 金相組織檢驗

把筆尖狀斷口試樣沿縱向截面剖開，經(jīng)磨拋后在試樣中心部位可以看到一串的V形裂紋，如圖2（a）所示。試樣經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕后，我們看到筆尖所處的試樣中心區(qū)域存在一條偏析帶，而且V形裂紋正位于偏析帶上，如圖2（b）所示，試樣經(jīng)放大后觀察V形裂紋處存在網(wǎng)狀滲碳體組織，如圖2（c）所示。

圖1 筆尖斷口宏觀形貌

切取錐孔附近的橫截面試樣，經(jīng)磨拋、腐蝕后觀測，其金相組織為索氏體+珠光體+網(wǎng)狀滲碳體。在試樣心部存在裂紋，網(wǎng)狀滲碳體出現(xiàn)在心部裂紋附近（如圖3所示）。用掃描電鏡對試樣做進一步觀察，在試樣心部區(qū)域除有網(wǎng)狀滲碳體之外，還存在晶界微裂紋（如圖4所示）。

2.4 能譜檢驗

利用能譜儀對試樣心部的偏析帶和正常部位分別進行多次定量分析，歸一化結果平均計算后的數(shù)據(jù)列于表1。能譜計算結果顯示出試樣心部存在成分偏析，該區(qū)域的C、Si、Mn、Cr等元素的相對含量均高于試樣其他部位，有較為明顯的碳偏析現(xiàn)象。

圖2 縱向截面上V形裂紋、偏析和網(wǎng)狀滲碳體

表1 能譜分析結果

圖3 裂紋處金相組織

圖4 試樣心部網(wǎng)狀滲碳體和晶界裂紋

2.5 斷口形態(tài)分析

對以上檢驗結果進行分析，我們認為由于盤條心部存在網(wǎng)狀滲碳體組織，而該組織的塑性變形能力幾乎為零，因此盤條在拉拔過程中首先是在心部網(wǎng)狀滲碳體處產(chǎn)生了微裂紋，隨著拉拔的繼續(xù)和變形量的增加，微裂紋沿V字形發(fā)生擴展直至斷裂。盤條心部網(wǎng)狀滲碳體組織的形成與連鑄坯中心偏析，尤其是中心碳偏析和盤條軋制過程中的冷卻速度有著緊密的關系。

連鑄坯的中心偏析是指鋼水在冷卻凝固過程中，溶質(zhì)元素在固液兩相中重新分配，因鑄坯中元素分布的不均勻，使得C、S、P等元素在連鑄坯心部的含量明顯高于其他部位[1-6]。“凝固晶橋”便是鑄坯中心偏析形成的原理之一，即鋼液在凝固過程中因柱狀晶生長不規(guī)則，使得鑄坯兩面生長快的柱狀晶相遇時產(chǎn)生“搭橋”，晶橋上的鋼液因橋的阻隔不能及時地對晶橋下面鋼液因凝固收縮產(chǎn)生的空隙進行補充，存在在柱狀晶間的鋼液向鑄坯中心流動。由于鋼液中含有富集的溶質(zhì)元素，從而就形成了中心偏析。其原理二是空穴效應。所謂空穴，即鋼坯凝固時若表面形成鼓肚，則在鑄坯心部就會形成空穴；或者是鋼液凝固后期，由于凝固收縮而形成的。這些空穴使得鑄坯中心產(chǎn)生強大的抽吸力，將凝固末端的鋼液吸入，因鋼液中含有富集了的溶質(zhì)元素，導致中心偏析的形成。原理三是鋼液中易偏析溶質(zhì)元素含量過高，在鑄坯從外向里結晶過程中，這些易偏析元素如C、S、P等以柱狀晶粒的形式析出，進入到尚未凝固鋼水當中，在鋼液繼續(xù)凝固的過程中，它們在凝固末端區(qū)域或鑄坯中心富集，形成了中心偏析[1，6]。

從試樣的化學成分和表1試樣能譜檢驗結果來看，盤條中心區(qū)域存在明顯的碳偏析，碳含量遠遠超過了共析點的成分。根據(jù)鐵—碳平衡相圖，盤條軋制冷卻過程中，當奧氏體緩慢冷卻到稍低于Acm線時，沿奧氏體晶界析出二次滲碳體，到達A1時奧氏體通過共析分解轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w[2]。由于在77MnCr盤條中心區(qū)域存在嚴重的碳正偏析，加上冷卻緩慢，二次滲碳體先于珠光體沿奧氏體晶界析出，聚集長大，是形成網(wǎng)狀碳化物的主要原因。網(wǎng)狀滲碳體具有分割晶粒的作用，它的存在削弱了晶粒間的結合力，且網(wǎng)狀滲碳體本身的塑性變形很差，在外力作用下不能和基體組織同步變形，首先在網(wǎng)狀滲碳體組織的邊緣上形成微裂紋，使得變形無法得以繼續(xù)進行，隨著外力作用的不斷增加，裂紋逐步擴展直至斷裂。

對于含有網(wǎng)狀滲碳體組織的盤條，在拉拔過程中，變形區(qū)鋼絲受拉拔應力和拉絲模壓應力的作用沿縱向流動，當變形遇到網(wǎng)狀滲碳體時連續(xù)性受破壞，由于組織之間的變形不同步，變形不能深入到鋼絲心部，在變形金屬和尚未變形金屬的交匯處產(chǎn)生了一個附加的拉應力[3]。所以，在盤條拉拔過程中，當附加的拉應力與拉拔應力之和大于鋼絲中心部位強度時，在鋼絲心部產(chǎn)生裂紋源，隨著盤條拉拔過程中變形量的持續(xù)增加，裂紋呈V字形逐漸擴展，最終形成筆尖狀斷口。

3 預防措施

為了消除77MnCr盤條中網(wǎng)狀碳化物組織，改善盤條拉拔的質(zhì)量，首先要改善連鑄坯的中心偏析。依照中心偏析的形成原因分析，在澆鑄過程中可采用一些工藝措施來提高鑄坯質(zhì)量，如減少鋼液中S、P等易偏析元素的含量，促進連鑄坯中心區(qū)域形成的凝固組織等軸晶化，減小鑄坯的鼓肚量，也就減小了鑄坯中心區(qū)域偏析的產(chǎn)生。

3.1 降低鋼水澆鑄溫度、控制拉坯速度

鋼液在澆鑄過程中的澆鑄溫度對于鑄坯凝固中等軸晶的形核以及長大起著關鍵的作用，按照“自由晶”理論，鋼液在靠近液相線溫度時，因過冷度較大，在低過熱度區(qū)內(nèi)能夠生成大量的晶核，而等軸晶的生長可以阻止鑄坯中柱狀晶的發(fā)展[4]。而過高的澆鑄溫度和過大的拉坯速度，都會造成鑄坯柱狀晶發(fā)達，過大的拉坯速度還會使鑄坯鼓肚的危險系數(shù)增大，鑄坯產(chǎn)生中心偏析幾率大。因此應盡可能采用低澆鑄溫度，抑制柱狀晶生長。在不影響產(chǎn)量的前提下，拉坯速度不宜過大，減小鑄坯鼓肚產(chǎn)生，以利降低鑄坯中心偏析。

3.2 采用電磁攪拌技術

電磁攪拌可以提高鑄坯斷面上的等軸晶率。它的作用是破壞鋼液凝固組織中以形成的粗大柱狀晶，細化晶粒，改善鑄坯中心部位碳成分和硫化物等夾雜分布不均的特點，減緩中心偏析。

3.3 控制鑄坯鼓肚量

控制鑄坯鼓肚量，可以有效減緩中心偏析，在生產(chǎn)中對二冷區(qū)夾輥須嚴格對弧。

3.4 采用輕壓下技術

在鑄坯凝固過程中利用輕壓下的技術，不僅可以減小或者消除鑄坯內(nèi)部因凝固收縮形成的空隙，阻止枝晶間的鋼液向鑄坯中心區(qū)域橫向流動。而此時的鋼液因含有富集的溶質(zhì)元素，它向鑄坯中心流動會增大中心偏析。利用輕壓下技術還可促使鑄坯液芯中心的鋼液沿拉坯反方向流動，重新分配鋼液中的溶質(zhì)元素，使連鑄坯的凝固組織十分細密，從而起到了改善鑄坯中心偏析的目的。

3.5 優(yōu)化二次冷卻技術

二次冷卻技術對于鑄坯內(nèi)部質(zhì)量來說起著十分重要的作用，鑄坯中心偏析等缺陷的形成與之有著密切的關系。二冷的比水量和其在二冷各區(qū)的分配比對鑄坯的內(nèi)部晶體結構是關鍵工藝參數(shù)。根據(jù)鋼種的不同，在澆鑄前選用正確的二次冷卻制度，合理分配好二冷的比水量和分配比可降低鑄坯中心的碳偏析，從而提高連鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量。

3.6 提高鋼水的純凈度

由于鋼中碳含量與鑄坯凝固組織的關系較為密切，對柱狀晶與等軸晶的生長比率產(chǎn)生影響。有資料表明，對碳含量ω（C）為0.1%、0.3%和0.6%的一種鋼，在其他工藝條件都相同的狀態(tài)下進行澆鋼，其柱狀晶生長的長度、中心疏松空穴和中心偏析的寬度按碳含量ω（C）為0.3%、0.1%和0.6%的順序依次遞增[1，5]。所以在煉鋼生產(chǎn)過程中必須提高對碳元素命中率，鋼液中的碳含量才能夠得到準確地控制。

再有磷和硫均是屬于易偏析的元素，在連鑄坯中心偏析的形成上，它們在鋼水中的分布形態(tài)和含量都起著十分顯著的影響。如果有效地使用鐵水預處理技術、或是使用鋼包脫硫等生產(chǎn)技術工藝，有效地降低鋼液中磷、硫等元素的含量，使得鋼水的純凈度得到提高，可有效地阻止鑄坯中心偏析的形成。

3.7 提高盤條軋制后的冷卻速度

連鑄坯在高線軋制時，如果終軋溫度過高，控冷過程冷速較慢，二次滲碳體將先在晶界上析出、長大，最終轉(zhuǎn)化成網(wǎng)狀滲碳體。提高控冷速度抑制滲碳體沿晶界析出，使盤條按共析點進行轉(zhuǎn)變，杜絕不利于拉拔的組織產(chǎn)生。

4 結論

造成77MnCr盤條在拉拔過程中產(chǎn)生筆尖狀斷口的主要原因是盤條中心部位存在網(wǎng)狀滲碳體組織。由于網(wǎng)狀滲碳體的塑性變形很差，在拉拔過程中難以承受較大的變形，因此在網(wǎng)狀滲碳體的晶界處形成微裂紋源，隨著拉拔過程的繼續(xù)變形量增加，裂紋沿V形擴展，斷裂后呈筆尖狀特征。

為了提高盤條拉拔的質(zhì)量，減少生產(chǎn)過程中斷絲的現(xiàn)象，改善連鑄坯中心碳偏析和提高盤條軋制過程中的冷卻速度來控制網(wǎng)狀碳化物的形成，應是提高盤條質(zhì)量的重要手段。

[1]姜錫山.連鑄鋼缺陷分析與對策[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011：137-139.

[2]宋維錫.金屬學[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1989：251.

[3]孟憲成.72A簾線鋼線材冷拔筆尖狀斷裂分析和改進工藝措施[J].特殊鋼，2009，30（5）：55-57.

[4]薛正良，李正邦，張家雯.高碳鋼連鑄方坯中心偏析[J].煉鋼，2001（1）：56－59．

[5]蔡開科.連鑄坯質(zhì)量的控制[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2010：281.

[6]鄒冰梅.中心偏析與中心疏松的形成與預防[J].鋼鐵技術，2005（2）：1-3.

（收稿2012－05－27編輯潘娜）

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田慶榮（1965—），高級工程師，軋鋼試驗室副主任，主要從事鋼鐵產(chǎn)品理化性能檢驗與分析方面的研究工作，E-mail：ilmhome@126.com。