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优碳钢带脆断原因分析与控制措施

时间:2024-11-12 15:00:03 来源:网友投稿

刘汉海

(山钢股份莱芜分公司技术中心,山东 济南 271104)

65Mn 钢常用于制作各种切割锯条类工具、测力弹簧等各规格弹簧件以及汽车差速器等汽配件,因其碳、锰含量高,具有淬透性强、脱碳倾向小、经济性好等优点,在工业生产和现代生活中发挥着重用作用。65Mn 钢是GB/T 711—2017《优质碳素结构钢热轧钢板和钢带》标准中的典型牌号,因其服务行业繁杂,服役环境各异,零部件对母材性能、组织要求侧重不同,对应的技术要求也相对复杂[1-2]。例如制造汽车摩擦片等汽配件,因断后伸长率要求较高,一般要求65Mn钢为退火态交货[3];
制造高硬度锯片基体的65Mn 钢带,要求其较高硬度及耐磨性,常为冷硬态交货[4];
制造传送带的65Mn,对其表面尺寸精度要求极高,并要求具备高强度、高硬度、高寿命,常为冷硬态与回火态交货[5-6]。

针对某锯片加工企业以65Mn热轧钢带为基料冷轧制造高硬度锯片过程中,钢带分剪、重卷时发生的突发脆断现象,采用力学性能检验、化学成分分析、金相组织及扫描电镜微观观察等检验方法,结合企业装备水平与生产实际,对钢带脆断原因进行研究分析,同时介绍了预防钢带脆断的改善措施。

失效钢带规格为5.0 mm×1 035 mm 的65Mn 热轧钢带,经厂家采购,用作锯片生产用冷轧基料,其入库下料工艺为:原料开卷→纵切分卷(宽带方向均分3段)→重卷→酸洗→冷轧→退火。原料钢带经分剪后在重卷环节发生断裂,如图1所示。钢带沿着卷曲方向存在轻微内弧,整体平整,无明显拉矫或磕碰等应力外伤,但表面存在明显油污、氧化铁皮,洁净度较差;
断口呈脆性断裂特征,心部存在分层裂纹,沿断面宽带方向通体观察,未发现划伤、凹坑、碰撞、腐蚀等易引起应力集中的宏观缺陷。

图1 失效钢带形貌

3.1 成分分析与拉伸性能

根据GB/T 711—2017 标准要求,采用ARL iSpark 光谱仪对失效65Mn 钢带不同位置(原始轧制边部、中间部位、纵剪边一侧、断裂处)分别进行化学成分分析,结果见表1。由表1可知,其化学成分符合标准内控范围要求。参照GB/T 228—2010《金属材料室温拉伸试验方法》,为减小随机性误差,在失效原始钢带取拉伸样3 块,采用WAW-600D 拉伸试验机进行拉伸性能检验,结果见表2。由表2可知,其拉伸性能符合GB/T 711—2017标准要求,未发现明显异常。

表1 化学成分(质量分数)%

表2 拉伸性能

3.2 硬度检验

为判断钢带不同部位组织性能及均匀性,在其轧制边、纵剪边、宽度方向中间位置各取45 mm×55 mm 试样,对表面修磨除锈抛光,参照GB/T 231[2].1—2009《金属材料布氏硬度试验》标准要求,通过NEXUS 8103RSB布氏硬度计,进行布氏硬度试验,试验参数:施压载荷3 000 kg,载荷时间20 s,单试样依次测定12数据点,结果见图2。如图2所示,试样硬度值均存在波动,试样1、2取样位置靠钢带宽度方向1/2、1/4位置,组织相对均匀,硬度适中;
试样3临近钢带轧制边部,冷却速度快于1/2、1/4位置,硬度波动相对较大。3 组试样硬度分布依次为:246~260 HBW(波动值14 HBW)、248~269 HBW(波动值21 HBW)、255~285 HBW(波动值30 HBW)。

图2 布氏硬度值分布

3.3 金相观察

采用DK77快走丝线切割将失效钢带分段切割,沿钢带脆断边裂宽度方向,从轧制边部、宽度中间、纵剪边部分别取金相样(记为:金相样1#、金相样2#、金相样3#),磨样抛光后采用4%硝酸酒精溶液对其腐蚀,通过YJ-1000金相显微镜进行组织观察,参照GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》、GB/T 6394—2016.5《金属平均晶粒度测定方法》,对金相组织分析,并进行晶粒度评定,结果见表3。

表3 金相组织晶粒度评定结果

由表3 可知,失效钢带3 组金相试样的晶粒度均满足GB/T 711—2017 标准要求(晶粒度≥6 级)。其中1#试样、2#试样组织类似,为珠光体+少量铁素体,1#试样组织如图3所示;
3#试样取自钢带轧制边部,组织为珠光体+少量网状铁素体,如图4所示。

图3 金相样1#金相组织

图4 金相样3#金相组织

由图3 可知,金相样1#组织为P+F(P 为深化叠片状,约占83%,F 为亮色条带状,约占17%),晶粒度约6.0级,符合标准要求;
由图4可知,金相样3#组织为P+F(P 与金相样1#类似,为深化叠片状,约占78%,F为呈网状或半网状亮色条状,约占17%),晶粒度约6.5 级,网状的F 带包裹了部分P,导致晶界能降低。结合布氏硬度检验,存在网状包裹的P组织其韧塑性差,网状F 分布不均匀,引起局部组织硬度波动,在对分剪后钢带重卷以及下道次工序(酸洗拉矫)时,大载荷拉矫作用力下,极易诱发应力脆断,是导致该类失效的重要原因。

3.4 扫描电镜与能谱检验

非金属夹杂物的存在对钢基体连续性极为不利,割裂组织,其数量、种类、尺寸是诱发性能不合、脆性断带的常见因素。因此,需要采用德国蔡司Sigma 500 场发射扫描电子显微镜对金相样3#断口形貌进行观察,同时对基体及可疑物质进行EDS能谱定性分析,检验是否存在脆性夹杂物或可能引起应力集中的大尺寸析出物分布,结果见图5、图6。

图5 断裂处扫描电镜观察

图6 断裂处成分元素能谱

由图5 可见,扫描电镜下在50 μm 视场对断口试样进行从左至右通体扫描,断口整体呈脆性解理形貌,韧窝较小且分布不均匀。对其空洞夹杂及钢基体进行EDS 能谱检验,谱图1 主要为Fe、C、Mn、Si、Ca、Mg、S等元素,成分与精炼炉耐火材料类似;
谱图2 所示为基体组织,主要为Fe、C、Mn 等元素,成分无异常。通体扫描观察后,未发现其他大尺寸夹杂物,认为钢基体纯净度较高,存在的夹杂物在标准规定范围以内,对诱发钢带脆断影响不大。

综上所述,失效钢带的成分、晶粒度、非金属夹杂物含量、硬度及拉伸性能满足GB/T 711—2017标准要求,组织以P为主,某些P片层被亮条状的网形F包裹,导致晶界能降低,并引起局部硬度波动,在分剪重卷或酸洗拉矫过程中,诱发了钢带脆断,是造成该类失效的根本原因。

65Mn等高碳锰钢硬度、强度较高,在对其轧制过程中,采用适当降低终轧温度,同时提高卷取温度,下线钢带应及时堆垛缓冷促进正常组织生成与均匀化;
现场条件允许时可配备缓冷坑,在缓冷坑内钢带散热较慢,避风集中,有利于钢带自回火,促进碳化物均匀析出及组织均匀化;
现场储运区域不具备缓冷坑,可采用下线钢带集中缓冷,65Mn等高碳钢带下线入库,尽可能放置于成品库中间区域,附近用其他品种热卷环绕包裹(厚规格效果更佳)。强化车间场地现场管理,做好秋冬低温季节的现场避风工作,面对雨季及雨雪极端天气,应暂缓出库,延长热卷钢带有效缓冷。温降缓慢,应力逐步释放,综合现场管理与各环节配合,可明显改善该类脆断问题发生频次[7-9]。如果客户已从钢企提走未完全缓冷的钢带产品,又或者钢带在发送、储运过程中遇到阴雨天气,造成可能诱发性能异常的问题,可采用钢带回炉退火,达到组织优化,性能改善的效果,但会增加热处理工序,实际成本将提高。

针对某锯片加工企业以65Mn热轧钢带为基料冷轧制造高硬度锯片过程中,钢带分剪、重卷时发生的突发脆断现象,通过光谱成分、金相组织、硬度检测等科学分析,认为组织异常,存在网状或半网状的铁素体对珠光体包裹,导致局部硬度波动,晶界能降低,在受到重卷拉力时二次硬化,导致了钢带脆断。钢厂实际生产中,适当降低终轧温度,提高卷取温度,并做好钢带缓冷,强化现场管理,促进组织均匀化,可明显改善脆断现象。

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