45圆钢拉拔断裂原因分析

2018-11-28齐晓峰关春立毕洪志

中国钢铁业 2018年9期

庄浩齐晓峰关春立毕洪志张朋

用户在将通化钢铁股份有限公司（简称通钢）生产的Φ30mm规格45圆钢进行冷拔加工成边长为15mm的六棱柱产品过程中发生断裂，其加工工艺为酸洗—润滑—拉拔（单线单条拉拔机，拉拔2次）—切头—验收—包装入库。为找出拉拔断裂的原因，对断裂的45圆钢进行了化学成分、表面酸洗、金相分析和硬度检验，最终找出了45圆钢拉拔断裂的原因。

1.断裂情况

通钢45圆钢冷拔加工的六棱柱产品的断口平直，有金属光泽，无明显的塑性变形，可判断为脆性断裂。类断裂的裂纹源应在试样外表面，进一步受力后裂纹向试样内部扩展，最后断裂。其产生原因有2种：一是原材裂纹深且较多，在后期拉拔过程中裂纹处开裂；二是拉拔过程中钢表面缺少有效的润滑，与磨具直接摩擦，导致表面产生横向裂纹进而引起断裂[1]。

2.理化检验

2.1 化学成分分析

从断裂样品上取样进行化学成分分析，结果见表1。

表1 断裂样品的化学成分 %

2.2 表面酸洗

仔细观察断裂的六棱柱产品外表面，发现有1个表面与另外5个表面的颜色明显不同，即白色的亮带。白亮带内疑似有细小的横向裂纹，而在正常区未见横向裂纹。断裂的六棱柱产品酸洗后表面白亮带内分布有密集的横向裂纹，而在正常区不存在裂纹。

2.3 金相检验

将试样的横断面和纵断面抛光，利用光学显微镜进行检验。纵断面的 A、B、C、D 类非金属夹杂物检验等级分别为1.0、0.5、0.5、0.5级，未见异常夹杂物。用浓度为3%的硝酸酒精分别对横断面和纵断面腐蚀后进行金相检验，可见六棱柱产品纵断面的组织呈珠光体与铁素体沿加工方向变形伸长的形貌。

对六棱柱产品表面正常区和白亮带内的横向裂纹进行金相检验，其特点：

（1）白亮带属异常组织，钢材在冷加工时，晶粒间产生滑移的同时，晶粒形状发生改变，在滑移区域受力过大，导致晶粒破碎，晶格歪扭，最终导致钢的塑性降低。而无横向裂纹的边部未见异常组织。

（2）白亮带与基体界限明显，无过渡区，深度约为40μm，裂纹沿断裂的白亮带向内部扩展。裂纹周围无异常组织，无高温氧化特性，且裂纹将晶粒撕裂。

表2 拉拔开裂试样的表面异常组织与基体显微硬度（HV）对比

表3 常见金相组织硬度（HV）

2.4 硬度检验

由于拉拔开裂试样的表面存在异常组织，为确定异常组织的类型，对异常组织的表面进行了硬度检验,见表2。常见金相组织硬度见表3。

由表2、表3可见，拉拔开裂试样表面异常组织的硬度和马氏体硬度接近，因此，可以确定异常组织是在拉拔过程中形成的马氏体。

常温下45圆钢的组织为铁素体+珠光体，按相变规律，组织只有先转变为奥氏体后，再以足够的速度快冷才能发生马氏体相变。拉拔时钢与模具的接触处润滑条件差，摩擦热可使钢表面薄层在千分之几秒内迅速升温到700℃或更高；另一方面，模具对钢的压力能使奥氏体转变点下移，既降低奥氏体化温度，这能推迟珠光体转变时间，同时有利于马氏体相变。据此分析，当拉拔过程中润滑效果差时，钢与模具之间的剧烈摩擦变形完全可以提供钢表层奥氏体化所需的相变驱动力[2]。

钢表面形成的高温区域（700℃以上）体积很小，当与钢基体进行热传导时能形成很高的温度梯度，这为马氏体相变提供了所需的过冷度，同时钢表面已奥氏体化的区域在应力的作用下也会诱发马氏体相变[3]。

3.原因分析

由以上检测结果可知，断裂的45圆钢化学成分和内部金相组织正常，样品表面白亮带内存在密集的横向裂纹，横向裂纹周围无异常组织，无高温氧化特性，并且裂纹将晶粒撕裂，白亮带部分的表面有组织沿着拉拔方向明显流动的迹象，而试样内部组织没有这种变化，这说明横向裂纹不是45圆钢原有的，而是在冷拔过程中由于润滑不良形成的[4]。

通过硬度检验确定白亮带内的异常组织为马氏体，其表层表现为强度和硬度高以及塑性与韧性差的特征；而基体显微组织为正常的铁素体+珠光体，其表现为强度和硬度较低以及塑性与韧性较好的特征。表层的马氏体属于硬而脆的第二相粒子，从而提高了材料的强度，降低了材料的韧性[5]。钢中存在这2种不同组织而造成塑性和韧性差别较大，在纵向拉拔外力的作用下，2种组织变形不一致，表层马氏体组织的变形跟不上基体铁素体+珠光体组织的变形，致使表层马氏体组织变形中断而产生开裂，最终导致45圆钢拉拔断裂。