高碳鋼線材脆斷的影響因素分析

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4620（2015）05-0039-03

收稿日期：2015-06-09

作者簡(jiǎn)介：李丙亮，男，1987年生，2014年畢業(yè)于武漢科技大學(xué)材料加工工程專業(yè)，碩士?，F(xiàn)為山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院冶金工程系助教，從事金屬材料斷裂及性能改善的科研及教學(xué)工作。

1　前　言

高碳鋼線材可經(jīng)過再加工制造彈簧、鋼絞線、窗簾線、預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲等材料，國(guó)內(nèi)外需求量大，具有廣闊的市場(chǎng)，是一種附加值高的鋼鐵產(chǎn)品。在當(dāng)前激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)之下，各線材生產(chǎn)廠家不斷研究、改進(jìn)工藝，以期待能生產(chǎn)出高質(zhì)量的線材產(chǎn)品。但高碳鋼線材生產(chǎn)過程中常會(huì)出現(xiàn)脆斷，這一直是困擾高碳鋼線材生產(chǎn)的重大問題，也是研究人員一直關(guān)注的熱點(diǎn) ［1-3］。本研究對(duì)高碳鋼線材脆斷的影響因素進(jìn)行分析，對(duì)研究熱點(diǎn)及方向進(jìn)行探討，以期對(duì)生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

2　脆斷影響因素分析

2.1合金元素的影響

2.1.1非金屬元素的影響

1）C：C元素對(duì)高碳鋼線材軋制冷卻后的組織性能起主要作用。在亞共析鋼范圍內(nèi)，隨含碳量增加，鐵素體相對(duì)量減少，珠光體相對(duì)量增加，抗拉強(qiáng)度不斷提高。超過共析含碳量后，抗拉強(qiáng)度緩慢提高，含碳量1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)達(dá)到最高，其后抗拉強(qiáng)度會(huì)隨著含碳量的增加而降低。由于共析滲碳體量增多，沿著原奧氏體的晶界析出，形成網(wǎng)狀滲碳體，使鋼的脆性大大增大，易發(fā)生脆性斷裂 ［4］。碳在連鑄坯中形成明顯的中心偏析，易在線材心部產(chǎn)生網(wǎng)狀碳化物而造成斷裂隱患。

2）Si：高碳鋼中Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般＜0.5%，Si也是鋼中的有益元素之一，除形成非金屬夾雜物外，Si溶于鐵素體中有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，在高碳鋼中每增0.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Si，可使熱軋鋼的抗拉強(qiáng)度提高約7.8～8.8 MPa，伸長(zhǎng)率下降約0.5%，斷面收縮率也會(huì)降低。

3）P、S：P和S是鋼中的有害物質(zhì)。P具有較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，能使鋼的強(qiáng)度和硬度提高，但也會(huì)降低材料的塑性和韌性。此外，P還具有嚴(yán)重的偏析傾向，很難用熱處理方法予以消除。S通過形成硫化物夾雜而對(duì)鋼的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。在熱軋過程中FeS嚴(yán)重偏析出現(xiàn)（Fe+FeS）共晶，產(chǎn)生熱脆現(xiàn)象。增加鋼中S含量，使FeS夾雜的含量增高，鋼的韌性和塑形降低。S偏析的出現(xiàn)會(huì)增加晶界的滲碳體的數(shù)量，降低晶界的結(jié)合力，增大晶間斷裂的趨勢(shì)。

4）O：O在鋼中的溶解度非常小，幾乎全部以氧化夾雜物的形式存在于鋼中。而氧化夾雜物為脆性?shī)A雜物，軋制過程中，夾雜物與鋼基體交界面處容易形成應(yīng)力集中 ［5］，產(chǎn)生顯微裂紋，并逐步演變成錐形裂紋。當(dāng)變形量進(jìn)一步加大時(shí)，脆性的氧化夾雜物破碎使線材發(fā)生脆斷。

5）H：H在鋼中也是有害元素，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面溶在鋼中使鋼的韌性和塑形降低，引起H脆；另一方面是當(dāng)H從鋼中析出時(shí)，會(huì)造成裂紋性質(zhì)的缺陷。研究得出，H對(duì)鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度沒有明顯影響，但會(huì)使斷裂強(qiáng)度降低；鋼中H含量增加，斷面收縮率急劇降低 ［6］。

2.1.2金屬元素的影響

1）Mn：Mn除了脫氧外，還有除S的作用，與鋼液中的S結(jié)合形成MnS，從而在相當(dāng)程度上消除S在鋼中的有害影響。少部分殘留于鋼中，成為非金屬夾雜物。Mn能提高碳鋼的強(qiáng)度和硬度。Mn熔入鐵素體形成固溶強(qiáng)化，從而提高鋼的強(qiáng)度，并使鋼材在熱軋冷卻時(shí)得到片層較細(xì)、強(qiáng)度較高的珠光體，在同樣含C質(zhì)量分?jǐn)?shù)和同樣的冷卻條件下，Mn會(huì)使珠光體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。

2）Cr：Cr具有細(xì)化晶粒、提高淬透性的作用，添加Cr成為提高高碳鋼線材性能的主要措施之一。V能與C、N強(qiáng)烈結(jié)合成碳化物、氮化物及碳氮化合物。這些化合物在高溫下溶解，在低溫下析出，通過不同工藝控制得到所要求尺寸的質(zhì)點(diǎn)。這些質(zhì)點(diǎn)在加熱時(shí)可以阻止原始奧氏體晶粒的長(zhǎng)大；軋制過程中抑制再結(jié)晶及再結(jié)晶后晶粒的長(zhǎng)大；低溫時(shí)還會(huì)起到析出強(qiáng)化作用 ［7-9］。在鋼中添加少量Cr、V、Mo等，提高線材冷卻時(shí)的淬透性，確保充分的索氏體化，使線材的組織均勻。適量稀土元素對(duì)高碳鋼性能也有改善 ［10］。

2.2生產(chǎn)工藝的影響

2.2.1煉鐵、精煉工藝的影響

目前，國(guó)內(nèi)有的企業(yè)未采用二次精煉，致使鋼中的氧含量較高，夾雜物較多，這是引起高碳鋼線材脆斷的一個(gè)主要原因。國(guó)外高碳鋼生產(chǎn)主要采用LF或LF+RH法進(jìn)行精煉，同時(shí)向鋼包喂Si-Ca線對(duì)夾雜物進(jìn)行變性處理 ［1］。在精煉過程中，要防止大顆粒夾雜物進(jìn)入鋼液中影響鋼液的質(zhì)量。為改變夾雜物的形態(tài)和分布，在鋼水離開LF站前，利用含Ca包芯線對(duì)鋼水進(jìn)行鈣處理。鈣處理后，為保證夾雜物充分上浮，必須對(duì)鋼包鋼液進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的軟吹氬處理，時(shí)間要求不少于8 min ［3］。

2.2.2連鑄坯質(zhì)量的影響

高碳鋼鑄坯的質(zhì)量控制是生產(chǎn)高品質(zhì)鋼絲的決定因素，其控制水平?jīng)Q定了線材的質(zhì)量 ［1,11］。鑄坯中的縮孔和碳偏析缺陷是高碳鋼線材斷裂的重要因素。在后續(xù)軋制線材時(shí)，如果壓縮比不足，鋼坯內(nèi)較嚴(yán)重的中心縮孔在軋制后仍不能消除，在拉拔過程中這些孔洞、縮孔就會(huì)逐漸拉長(zhǎng)，呈不規(guī)則孔洞或錐形裂縫，從而導(dǎo)致線材的斷裂。在軋制線材時(shí)，軋制溫度較高，但保溫時(shí)間有限，鋼坯心部存在的碳偏析難以消除，以致于在線材的中心部位同樣存在，其硬度明顯高于周圍組織，在受到較大的拉拔應(yīng)力時(shí)，碳偏析位置會(huì)形成不均勻變形開裂，加劇了線材整體斷裂的進(jìn)程 ［12］。

高碳鋼連鑄主要解決兩個(gè)問題。一是精煉后獲得的“干凈”鋼水在連鑄過程中如何防止再次污染；二是如何獲得結(jié)構(gòu)致密，疏松、縮孔、偏析在允許范圍的連鑄坯。對(duì)于前者主要是控制鋼水的二次氧化，減少外來夾雜物的卷入；對(duì)于后者主要是控制鑄坯的柱狀晶和等軸晶比例 ［1］。在澆鑄時(shí)，可采用電磁攪拌等工藝，確保鑄坯中心成分均勻。應(yīng)盡量采用低過熱度澆鑄，控制好拉速，盡量抑制鑄坯柱狀晶生長(zhǎng)，增加等軸晶數(shù)量，以改善鑄坯中心偏析，減少縮孔 ［11］。

2.2.3控冷工藝的影響

高碳鋼線材的斯太爾摩控冷工藝應(yīng)遵循相變前快速冷卻、相變過程中適當(dāng)降低冷卻速度及相變后緩冷的原則。相變前快速冷卻可以有效避免線材中網(wǎng)狀滲碳體的產(chǎn)生，適當(dāng)降低相變過程中的冷速且相變后緩冷可以延長(zhǎng)珠光體相變的時(shí)間，避免線材心部大塊馬氏體的產(chǎn)生，提高線材塑性 ［13］。

方坯心部產(chǎn)生的碳偏析在軋制過程中并沒有消除，在奧氏體晶界容易產(chǎn)生先析出網(wǎng)狀滲碳體。網(wǎng)狀滲碳體會(huì)降低線材塑性，容易引起線材脆斷。如果能夠使線材從奧氏體區(qū)迅速冷卻至共析轉(zhuǎn)變時(shí)冷卻臨界點(diǎn)溫度以下，就可以減少二次網(wǎng)狀滲碳體。因此，可以通過調(diào)整斯太爾摩風(fēng)冷線相變前風(fēng)機(jī)風(fēng)量和輥道速度增加線材相變前的冷卻速度，抑制網(wǎng)狀滲碳體的產(chǎn)生 ［14］。

大量研究和實(shí)踐證明 ［15］：高碳鋼線材850～920℃吐絲后，以8～12℃/s的冷卻速度冷卻到580～660℃的溫度范圍內(nèi)，然后降低冷卻速度，以接近恒溫狀態(tài)保持20～40 s的時(shí)間控制相變過程，冷卻到500℃后自然冷卻。測(cè)得索氏體含量達(dá)到90%以上，線材組織均勻性有所提高。

2.2.4時(shí)效處理的影響

時(shí)效過程中高碳鋼線材內(nèi)部主要會(huì)發(fā)生以下變化：1）軋制過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力釋放；2）線材內(nèi)部組織中的H重新分布和擴(kuò)散，從而導(dǎo)致其力學(xué)性能發(fā)生變化 ［14］。

H在奧氏體組織中的溶解度較高，因此，高碳鋼線材在高溫軋制過程中，H均勻分布于線材內(nèi)部；軋后冷卻到室溫，H在內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)過飽和，而沒有時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散，時(shí)效過程中H原子擴(kuò)散至線材外 ［16］。由于線材內(nèi)應(yīng)力的釋放，溶解在原來應(yīng)力區(qū)域的H也被釋放出來，大部分的H向體外擴(kuò)散，時(shí)效初始階段H含量降低速度較快。隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，H充分?jǐn)U散脫離線材后，內(nèi)部應(yīng)力集中程度降低，線材的力學(xué)性能逐漸回升；直至擴(kuò)散平衡后，線材力學(xué)性能穩(wěn)定 ［17］。

實(shí)際生產(chǎn)中，高碳鋼線材充分時(shí)效處理7～15 d后，內(nèi)應(yīng)力與H擴(kuò)散充分，線材性能趨于穩(wěn)定。

2.2.5裝運(yùn)過程的影響

在裝運(yùn)高碳鋼線材時(shí)，操作不當(dāng)，在機(jī)械外力的作用下，在線材表面產(chǎn)生一層硬而脆的淬火馬氏體組織，裝運(yùn)機(jī)械會(huì)擦傷線材表面淬火馬氏體組織，形成擦傷缺陷。在拉拔、裝載、運(yùn)輸?shù)冗^程中，缺陷處易造成應(yīng)力集中，形成裂紋，并向線材內(nèi)部擴(kuò)展，進(jìn)而形成斷裂源 ［2］。

操作裝運(yùn)時(shí)，要注意操作幅度要小，用較軟材質(zhì)的捆綁線捆綁線材，搬運(yùn)叉車的叉子用柔性材料包裹或者采用電磁吊車，防止與線材硬磨。存放運(yùn)輸時(shí)，線材底部用柔軟材質(zhì)的膠料鋪墊 ［2，11］。

3　研究熱點(diǎn)及方向

提高高碳鋼線材質(zhì)量，預(yù)防脆斷的發(fā)生，最根本的源頭是煉鋼和連鑄工藝的控制，主要控制鋼中元素含量、夾雜物數(shù)量和形態(tài)以及減少連鑄坯中心疏松、偏析的產(chǎn)生，而后續(xù)的軋制工藝、控冷工藝、時(shí)效處理等可以有效改善高碳鋼線材內(nèi)部組織，減少脆斷的產(chǎn)生。

國(guó)內(nèi)外對(duì)高碳鋼線材斷裂的研究大都是按照化學(xué)成分分析—斷口檢驗(yàn)—金相檢驗(yàn)等步驟進(jìn)行。但實(shí)際生產(chǎn)中斷裂問題有相同點(diǎn)，也有不同點(diǎn)；有單一方面的原因，也有幾種缺陷共同作用的結(jié)果，研究工作往往忽略了生產(chǎn)工藝之間的相互影響。對(duì)每一工藝進(jìn)行分離式研究，而對(duì)高碳鋼內(nèi)部組織、缺陷和雜質(zhì)在整個(gè)生產(chǎn)工藝中的動(dòng)態(tài)變化研究較少。今后可利用有限元模擬軟件模擬，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究的方法對(duì)高碳鋼斷裂現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)的研究分析。進(jìn)一步研究其他合金元素及含量對(duì)高碳鋼線材性能的影響，從而開發(fā)出更多具有優(yōu)良性能的高碳鋼線材，擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。