55SiCr盘条表面异常组织原因分析

2022-10-14王小忠朱文凯黄春成安鹏达

四川冶金 2022年4期

王小忠，朱文凯，黄春成，安鹏达

(中天钢铁集团有限公司, 江苏常州 213011)

55SiCr热轧盘条可用于制造汽车悬挂弹簧，由较高规格的热轧盘条经拉拔、绕簧、热处理等工艺制成。悬挂弹簧在汽车行进过程中承受往复伸缩运动，主要作用是吸收振动，保证乘员的舒适性[1-2]。现有55SiCr钢热轧盘条经酸洗后，由原材料Φ16 mm盘条拉拔至Φ15.9 mm后的矫直过程中发生断裂，并且经拉拔的钢丝在淬回火后的卷簧时也产生断裂。现采用直读光谱仪、光学金相显微镜、扫描电镜等对这两种断裂的试样进行了分析，研究其断裂原因。

1 理化分析

1.1 宏观分析

1.1.1 拉拔矫直断裂断口分析

盘条拉拔矫直断裂断口宏观形貌如图1所示，断口较平齐并与轴向相垂直，断裂起源于盘条表面，断裂源处盘条表面存在多条细小裂纹，这些细小裂纹分布在沿盘条轴向的窄小区域，且有的细小裂纹处已起皮，类似于细小结疤缺陷；窄小区域约有数百毫米长，有多个这样的窄小区域相隔分布，见图2～图4。

图1 拉拔矫直断裂断口宏观形貌

图3 前图箭头指处放大

图4 远离断裂源处盘条表面缺陷形貌

1.1.2 卷簧断裂断口分析

卷簧断裂断口宏观形貌如图5所示，为典型的弯曲断裂断口形貌，断裂起源于钢丝表面，断裂源处钢丝表面存在多条细小横向裂纹，见图5～图6。

图5 卷簧断裂断口宏观形貌

图6 断裂源处钢丝表面有多条细小横向裂纹

1.2 化学成分分析

从断裂试样上取样，使用德国超谱公司QSN750型直读光谱仪进行化学成分分析，结果见表1。结果表明，断裂试样的化学成分符合国家标准GB/T1222-2016《弹簧钢》中对55SiCr钢的成分要求。

表1 断裂试样的化学成分与标准对照

1.3 金相分析

1.3.1 拉拔矫直断裂试样

在靠近断口断裂源处和远离断口处的盘条表面细小裂纹部位取横向截面试样，经磨制、抛光和浸蚀后用光学显微镜进行观察。可以看出，断裂源处细小裂纹截面深度约为0.34 mm，裂纹前端裂缝内存在有灰色物质；在裂缝一侧存在一个三角区域的异常组织，其组织为珠光体和众多不规则的白色块颗粒；而基体组织为珠光体和少量铁素体，三角区域组织明显不同于基体组织，见图7～图9。同样，在远离断口处的盘条表面细小裂纹部位横向试样上也观察到裂纹处存在三角区域异常组织，见图10～图11。

图7 100×断裂源处细小裂纹深度约0.34mm，在裂纹一侧存在一个异常组织的三角区

图9 500×基体组织

图10 100×盘条细小裂纹深度约0.34mm，在裂纹处存在一个异常组织的区或

图11 500×三角区域组织为珠光体+众多不规则的白色块颗粒

1.3.2 卷簧断裂试样

在卷簧断裂源处表面横向裂纹位置取纵向样分析，该处纵向截面显示了多条横向裂纹的截面形貌，裂纹深约0.50 mm左右。表层存在异常组织，深约0.30 mm，组织为回火马氏体+回火屈氏体+残余奥氏体及少量碳化物，而基体金相组织为回火屈氏体，裂纹已穿过表层异常组织区进入基体中，见图12～图13。

图12 30×卷簧断裂源处纵向截面组织形貌，表层组织与基体组织存在差异

图13 500×纵向表层组织形貌

在卷簧断裂源处表面横向裂纹位置取横向样分析，发现细小横向裂纹处的表层组织仅为宽度约为0.8 mm的部分区域，其组织与纵向截面发现的表层组织相同，也为回火马氏体+回火屈氏体+少量残余奥氏体及碳化物，见图14～图15。

图14 65×卷簧断裂源处横向截面组织形貌

图15 500×横向表层组织形貌

1.4 微区成分分析

用X射线能谱仪对拉拔矫直断裂盘条表面异常组织区域的特征相进行微区成分面分析，结果见图16～图19和表2。结果表明，断裂源处细小裂纹裂缝内存在的灰色物质为氧化铁(见图16和表2)。断裂盘条表面异常组织区域内的白色块颗粒含有C、Cr和Fe等元素，虽然X射线能谱仪测碳的准确度不高，相对而言，白色块颗粒比珠光体区域的碳含量要高，可以认为白色块颗粒是含Cr的碳化物(见图17和表2)。图18与图19为正常基体组织区域与表层异常组织区域的谱图比较，可以见出，两相的铬含量基本相同，而表层异常组织区域的碳含量比较高，这说明表层异常组织区域为增碳区域。

图16 裂缝内存在的灰色物质为氧化铁

图17 表层异常组织区域内白色块颗粒为碳化物

图18 表层异常组织区域测定范围

图19 基体组织区域测定范围

表2 X射线能谱仪分析结果

2 分析与讨论

根据上述分析检测结果可知，55SiCr钢热轧盘条表层存在沿纵向的带状异常组织区域，异常组织区域其组织为珠光体+众多不规则块状碳化物，并且碳化物为含Cr较高的碳化物；表明盘条表层异常组织区域为增碳区域，而盘条表层增碳区域来自其铸坯表面局部增碳。

正常情况下,铸坯表面及皮下的成分与基体基本一致。但在少数情况下,也会出现铸坯表面增碳的情况。为了控制保护渣的熔化速度和保温性能，保护渣中通常都要进行配碳。碳类材料以碳黑、石墨或焦粉的形式加入。保护渣熔化过程中，在熔渣层和烧结层之间存在一个富碳层,使接近弯月面处的固态渣圈有碳的富集。一方面,当钢液面上升时,富碳层进入结晶器与铸坯之间,使富碳层中的碳向铸坯表面渗透；另一方面,当结晶器液面波动过大时,保护渣富碳层与钢水直接接触或卷入,造成结晶器内的钢水增碳,而这部分钢水凝固后就形成了铸坯局部表面增碳区域[3]。保护渣碳含量越髙、结晶器液面波动越大,就越容易引起增碳；保护渣碳的活性度越高,增碳的可能性越大。

55SiCr钢热轧盘条表面异常组织区域为珠光体和众多不规则块状碳化物的混合组织，并且碳化物为含Cr较高的碳化物；而正常基体组织为珠光体和少量铁素体。碳化物与珠光体相比硬度高、塑性差，在拉拔过程中由于白色碳化物与基体组织变形能力不一致，在白色碳化物处形成应力集中，从而碳化物与基体组织之间的界面被撕裂，形成微裂纹[4-5]。并在后续的矫直过程中，微裂纹扩展，导致盘条断裂。

表面存在异常组织区域的55SiCr钢热轧盘条经淬火回火后，盘条基体组织变为回火屈氏体，而其表面条带状异常组织区域在淬火时转变为粗大马氏体和大量的残余奥氏体，因该残余奥氏体含有较高的Cr，其回火稳定性好；而弹簧钢棒淬火回火采用的感应加热、冷却的通过式连续淬回火工艺，回火时的保温时间非常短，致使异常组织区域的大量残余奥氏体中，仅有一部分在回火时转变为马氏体，另有部分残余奥氏体保留在回火后的组织中，使我们在断裂的淬回火钢棒上仍能检验到一定量的残余奥氏体。由于弹簧钢棒表面异常组织区域在淬火回火后的组织为回火马氏体+回火屈氏体+残余奥氏体及少量碳化物，其硬度高、脆性大，在卷簧时若表面异常组织区域正好处于弹簧外圆表面，受到较大拉应力作用，便易在此处生成横向裂纹，最终导致弹簧断裂。