高碳钢脆断原因分析

高碳硬线拉拔脆断原因分析 于同仁 刘开升 张步海 （马钢技术中心） 摘 要 高碳硬线盘条作为金属制品的原料，在深加工过程中容易出现脆断现象，这其中一条原因是盘条本身存在缺陷，另一原因是拉拔工艺存在缺陷，本文对脆断原因进行了分析，提出了改进措施。 关键词 硬线 脆断 原因

Analyse of Drawing Brittle Breaking for High Carbon Wire Rod

Yu Tongren Liu Kaisheng Zhang Buhai Technology Center of Ma’anshan Iron & Steel Co. Ltd Abstract: As the material of the metal product, high carbon wire rod is easy to be broken in deep drawing process, one of the reasons is it defects on wire rod, the other is drawing isn’t proper. This article analyses the cause of the brittle broken, and some relative improvements are given out. Key Words: hard wire rod, brittle, cause 1.前言 高碳硬线盘条作为金属制品的原料，通过深加工用于制造钢丝绳、预应力钢丝及钢绞线、电力用镀锌（铝包）钢丝及钢绞线、轮胎钢丝、弹簧钢丝等，其拉拔性能好坏直接影响着制品厂的使用和产品的性能，多年来国内外线材厂在研制优硬线产品时，一直在追求高的线材加工性能，也取得了不少的成果，使线材的拉拔性能得到了很大的提高，但生产的优硬线总会出现这样那样的问题，影响了制品厂的使用；另外，有些制品厂在加工过程中也存在一些问题，造成了拉拔脆断。 盘条本身缺陷主要是中心偏析、组织异常、裂纹（或折叠），深加工缺陷主要是润滑不良、拉丝模角度不对、前处理存在缺陷等。这些缺陷通过改进生产工艺，严格工艺操作，都是可以避免的。 2.拉拔脆断形态 杯锥状 高碳硬线盘条在深加工过程中，如果出现组织偏析、异常、氮含量超标及拉丝模角度偏大等等，常常出现杯锥状脆断。 高碳盘条中心偏析组织形态 偏析在线材内部局部出现，钢的局部成份与正常不同。碳偏析使局部含碳量超过共析点成分，连续冷却时会产生厚的网状渗碳体；锰偏析在冷却时易出现马氏体；硫对钢的热裂纹敏感性有突出的影响，当它大于%时，钢的延性有明显下降；磷会使钢的晶界脆性增加，裂纹敏感性增强。 图1为65钢盘条纵向截面金相组织，中心区域为细珠光体+网状渗碳体，中心碳偏析。 图2为80钢盘条金相组织，中心存在条带马氏体组织。 图1 65钢组织，硝酸酒精腐蚀，放大100倍 图2 80钢组织，硝酸酒精腐蚀，500倍 中心偏析盘条拉拔后人字形裂纹形态 中心偏析明显的线材在进行拉拔时，整体承受外力极不均匀，首先在心部形成多条裂纹，作为缺口很快导致杯锥状断裂。图3为70钢钢丝金相组织，中心组织为纯珠光体，中心碳偏析，拉拔后出现人字型裂纹。

图3 70钢金相组织，3%硝酸酒精腐蚀，100倍 拉丝模入口角度不对造成钢丝芯部产生人字形裂纹 图4为拉拔角度变化与可能引起锥断的界限值。线材在酸洗后进行磷化处理，采用甘油硬脂酸钙润滑，前部分实验为通常规定的条件，拉拔以拉断为限，后部分拉拔为多道次拉拔，道次拉拔量在大约10%，拉拔速度7m/min。在大角度拉拔时前几道有锥断发生，当拉拔角在14°以下时未出现锥断现象，图4中A为在30°拉拔角下进行多道次拉拔致断裂的结果。 图5为14°拉拔角时钢材的机械性能。一般在起始拉拔时钢材面缩率、延伸率都有恶化倾向，而当总的减面率达到60%左右时降低的延伸率 得到恢复并趋于稳定。图中①～⑧是不同拉拔角时的拉拔结果。当采用拉拔角2α=32°时，即便总减面率小于60%拉拔，钢丝在2～4道也发生锥断。另一方面如⑦所示，当总减面率小于60%时，采用2α=14°拉拔角，当总减面率大于60%时，采用大拉拔角2α=30°拉拔，不会出现拉断现象，可以继续拉拔。 图4 加速拉断试验拉拔角与极限拉拔值的关系[1] （%C，φ，拉拔角2α=14°～32°）

图5 拉拔初期拉拔角与断线的关系[1] （%C，φ，拉拔角2α=14°～32°） 表面裂纹 盘条缺陷 裂纹在线材中的分布是不连续的，它是以垂直于线材表面或与其表面呈一角度陷入线材,裂纹长度不一，通常呈直线形，偶尔，也与纵轴方向成一个角度或横跨纵轴,倾斜的纵向裂纹在靠近表面区内充满氧化皮，并且靠近心部焊合，裂纹的侧面伴随着脱碳。该类裂纹在深加工过程中，由于应力集中，线材将沿裂纹方向发生断裂。 拉拔横裂 横裂形态：第一种与钢丝轴向成一定角度，裂口呈搓衣板状裂纹；第二种是垂直于钢丝轴向的横裂，第三种是龟裂。

图6 65Mn钢丝横裂纹宏观形貌 图7 65Mn钢丝横裂纹钢丝酸洗后宏观形貌 图6、7为φ 65Mn盘条拉拔到φ时，表面横裂纹宏观形貌，裂纹有规则的垂直于钢丝轴向，且该区域钢丝表面明显发亮，露出了发亮的金属基体，裂纹内没有夹杂，尾部变形明显，组织正常，为拉拔时润滑不良，钢丝与拉丝模直接摩擦所致。 润滑不良造成表面三角形裂纹 表面三角形裂纹断口形态为锥形断裂，裂纹发展示意图见图8。钢丝表面“爪型”缺陷的出现主要是拉拔时润滑不良造成的，另外，在拉拔和操作过程中，或在拉丝模出口未校准时，钢丝粗糙的表面上的刮削痕也可引起一排“爪型”缺陷。

图8导致钢丝断裂的爪型发展示意图[４] 3.产生原因及改进措施 中心偏析 偏析实质上是局部成分不均，是在结晶过程中发生的，为了抑制偏析，应以提高钢水结晶过程的冷却速度为核心手段，使结晶尽快完成，不使柱状晶发展。应该说，减少偏析最有力的手段是实行连铸，借助结晶器的间接水冷和二冷段的直接水冷，使冷却速度大大 提高，加之铸坯端面小，结晶能很快完成，偏析程度减至最小。 在连铸机上增设电磁搅拌装置，不但能进一步减轻偏析，还能阻碍疏松产生。 拉丝模角度 拉拔角是影响拉拔过程杯锥状脆断的重要因素，锥断是由于表层与近心部金属在拉拔方向上流动的不一致而在心部产生拉应力所造成的。 一次拉拔总减面率在60%左右时，钢丝的延伸率低且不稳定，此时选择正确的拉拔角非常重要，否则该阶段很可能出现拉断或形成锥断裂纹源。 此外，拉拔角越大，钢丝可能歪斜的程度就越大，会使表层发热，表层的面缩增加，相对与之接触处的心部塑性下降，也就是说，横截面中心与表层的硬度增大，造成锥断。 控制轧制 控制轧制是在热轧过程中通过对金属加热制度、温度制度和变形制度的合理控制使热塑性变形与固态相变结合，获得细小晶粒组织，使钢材具有优异的综合力学性能的轧制工艺。对中、高碳钢，低合金钢来说，采用控制轧制工艺主要是通过控制轧制工艺参数（合金元素、碳元素、微量元素、开轧和终轧温度等等）、细化变形奥氏体晶粒，经过奥氏体向铁素体和珠光体的转变，形成细化的铁素体晶粒和较为细小的珠光体球团，从而达到提高钢的强度、韧性和焊接性能的目的。 对于高碳硬线，不仅要求不能有网状渗碳体，而且制品企业均要求大规格线材能不经热处理，直接进行高速连续大压缩比拉拔。因此，除了钢质外，还要求大规格高碳线材应是索氏体化组织。索氏体片层间距小（～微米）且规整。 裂纹 从炼钢到产品轧制出厂的整个生产过程中的任何一环节，都有可能发现产生热轧线材裂纹的原因。在熔炼车间，这些原因包括在浇注和钢锭凝固过程中出现的缺陷如应力裂纹、钢锭皮下气泡、铸模缺陷造成钢锭表面结疤和粗大凹痕。在轧制过程中，随着急剧的轧制变形，如果轧辊孔型不合适，轧辊表面过多的磨损甚至损坏，前面粗轧道次的导卫划痕，大块氧化皮被轧入线材以及半成品的粗劣修整等所有的这些缺陷都会产生裂纹。 在深加工过程产生缺陷的原因有：润滑不良使钢丝与盘条直接摩擦、时效时间不够或过酸洗（氢脆）造成钢丝表面产生横裂纹；氧化皮去除不净，拉拔时氧化皮和基体不能同时进行均匀变形，造成拉拔后的钢丝表面存在微裂纹。 目前，高碳硬线盘条的生产主要以连铸、高速线材轧制为主，稳定操作工艺基本可以消除裂纹缺陷，特别是头尾剪切要干净；高碳硬线明显存在时效现象，用户应在时效后使用、酸洗干净且不过酸洗、润滑剂润滑性能优良可避免裂纹的出现。 “爪型”裂纹 将“爪型”缺陷控制到最小程度的建议：若钢丝表面有小“爪型”的迹象，首先考虑改进润滑。如硬脂酸钙比硬脂酸钠更可导致较少的“爪型”。 4.结语 原因 ①高碳硬线杯锥状脆断主要原因是中心偏析、氮含量超标、拉丝模角度偏大。 ②高碳硬线拉拔横裂纹、“爪型”裂纹主要原因是润滑不良、时效不够、氧化皮去除不净、过酸洗（氢脆）、拉丝模破碎以及盘条表面成分偏析。 改进措施 ①优化连铸工艺：过热度、比水量、拉速控制在合适范围，如低过热度、小比水量、低拉速等。结晶器电磁搅拌。保证组织均匀。 ②控轧控冷，冷却速度大于10℃/S。盘条头尾剪切干净。保证不出现异常组织。 ③保证润滑剂润滑质量、优化酸洗工艺，将氧化皮去除干净且不过酸洗、时效后拉拔，避免出现裂纹。 ④拉丝模角度控制在14°，避免出现人字形裂纹。 参考文献 １.（日）浅川基男等. 高碳钢线材的拉拔性能及强度. 唐钢科技. １９９７，４：４０～４８ ２. 马钢钢研所（翻译资料）. 线棒材缺陷 １９９５，５ ３. 邢献强. 冷拔钢丝表面裂纹形态及成因. 钢铁，１９９８，３３（３）：５１～５４ ４. 沈从群译“Ｗｉｒｅ Ｊｏｕｒｎａｌ”.钢丝断裂机理