谷春霞 趙賢平 田伏慶 霍玉英

(安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

0 前言

高碳盤條鋼是生產(chǎn)高強(qiáng)度、低松弛預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)用鋼絲和鋼絞線的主要原材料，主要應(yīng)用于鐵路，公路、跨海大橋、大型建筑、水利等領(lǐng)域，它具有抗拉強(qiáng)度高、延伸率好，松弛率低。應(yīng)力損失小和耐疲勞性能優(yōu)良等特點(diǎn)。82B盤條屬于大變形冷加工鋼材，用戶的生產(chǎn)工藝為酸洗→磷化→拉拔→捻制→漲拉→卷取→打捆、包裝。一般以3 m/s～8 m/s的拉速連續(xù)拉拔至 Ф5.02 mm ～ Φ5.07 mm，總減面率達(dá)83%。筆者主要分析在各道次拉拔過程中，分析顯微組織及其芯部缺陷(如馬氏體)在冷變形下如何演變，其變化狀態(tài)對(duì)拉拔性能有如何影響;并根據(jù)分析結(jié)果提出改善拉拔性能的生產(chǎn)工藝方法，以指導(dǎo)實(shí)踐生產(chǎn)，避免拉拔過程中出現(xiàn)斷絲，達(dá)到提高成材率的目的。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料取自安鋼第一煉軋高速線材軋機(jī)生產(chǎn)的公稱尺寸為Φ12.5 mm表面檢測(cè)無明顯缺陷的82B盤條，化學(xué)成分及力學(xué)性能均符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

在拉拔制絲廠，在室溫經(jīng)9道次連續(xù)拉拔至Φ5.06 mm，拉拔工藝為：Ф12.5 mm→Ф11.3 mm→Ф10.1 mm→Ф9.06 mm→Ф8.15 mm→Ф7.35 mm→Ф6.67 mm→Ф6.08 mm→Ф5.58 mm→Ф5.06 mm，拉拔速度為4.5 m/s。各道次拉拔后截取試樣，經(jīng)金相制樣，4%硝酸酒精腐蝕，在FEI Quanta 200掃描電鏡下進(jìn)行顯微組織觀察。

表1 化學(xué)成分和力學(xué)性能

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 索氏體組織

由于冷卻和規(guī)格效應(yīng)的因素，82B盤條邊部索氏體含量較高，而芯部較低，不具有代表性，故以二分之一半徑處的組織作為觀察分析對(duì)象。另外由于索氏體片層較細(xì)，用一般的光學(xué)顯微鏡觀察已顯示不出組織內(nèi)部細(xì)節(jié)，故采用具有高分辨率、高景深的掃描電子顯微鏡進(jìn)行組織觀察分析。通過觀察82B盤條拉拔前原始組織和拉拔過程各道次中的組織變形情況來進(jìn)行分析，顯微組織SEM像觀察結(jié)果如圖1所示。

圖1 拉拔前和各道次拉拔過程中縱向顯微組織觀察SEM像

由圖1可以看出，盤條原始組織為片層間距細(xì)小的珠光體類組織，即索氏體組織，而且珠光體團(tuán)呈等軸狀，珠光體片層平直，且各相鄰珠光體團(tuán)片層排列不存在擇優(yōu)取向(圖1(a))。圖1(b)～(f)為冷拉過程中不同道次下82B盤條的縱向顯微組織形貌。初期拉拔由于變形開始階段應(yīng)變量較小，所以滲碳體片層排列沒有明顯改變(圖1(b))。經(jīng)過3～6道拉拔后，隨著拉拔次數(shù)的增加，變形程度的增大，珠光體團(tuán)的取向逐漸轉(zhuǎn)到與拉拔方向趨于一致(圖1(c)～(e))。再經(jīng)過深度拉拔，可以觀察到索氏體組織沿著拉拔方向呈纖維狀排列，而且索氏體片層間距在逐漸變得更細(xì)(圖1(f))。在整個(gè)拉拔過程中未出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象。

2.2 芯部馬氏體

馬氏體是一種硬而脆的相，在拉拔過程中由于不易變形而易產(chǎn)生橫向裂紋，最終導(dǎo)致拉拔斷裂。馬氏體的形成與具有化學(xué)元素的偏聚和快冷有關(guān)，而82B盤條含有高M(jìn)n、Cr等元素，易形成芯部偏析，加之吹風(fēng)控冷，在芯部區(qū)域形成馬氏體。通過觀察馬氏體在拉拔前和在各道次拉拔中變形情況，來分析馬氏體隨拉拔道次的增加的演變情況，SEM像觀察結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，在盤條的芯部出現(xiàn)少量的呈竹葉狀的高碳隱晶馬氏體［1］(圖2(a))。由于變形初期應(yīng)變量較小，而芯部的馬氏體在拉應(yīng)力的作用下出現(xiàn)裂紋，裂紋與水平拉拔方向接近成45°(圖2(b))。隨著拉拔道次的增加，芯部馬氏體的裂紋數(shù)量明顯增加(圖2(c))。由于索氏體和馬氏體塑性變形不一致，可以觀察到在馬氏體與索氏體界面處出現(xiàn)裂紋(圖2(d))。在后期的拉拔中，拉拔使芯部的馬氏體與索氏體基本脫離，芯部的裂紋已經(jīng)不僅僅局限于馬氏體，而是已經(jīng)擴(kuò)展到索氏體基體之中，且馬氏體幾乎無變形(圖2(e)、(f))。

圖2 拉拔前和各道次拉拔過程中縱向芯部馬氏體觀察SEM像

3 分析與討論

3.1 索氏體隨拉拔性能的演變

索氏體的綜合力學(xué)性能優(yōu)于粗珠光體的綜合力學(xué)性能。索氏體和珠光體均屬于片狀珠光體，片狀珠光體的金屬材料的抗拉強(qiáng)度主要取決于珠光體的片間距，抗拉強(qiáng)度隨片間距的縮小而增大。這是由于珠光體在受外力拉伸時(shí)，塑性變形基本上在鐵素體片內(nèi)發(fā)生，滲碳體層則有阻止滑移的作用，滑移的最大距離就等于片間距。此外，片間距較小時(shí)，珠光體中層片滲碳體是不連續(xù)的，層片鐵素體并為完全為滲碳體所隔離。片間距約小，鐵素體和滲碳體的相界面越多，對(duì)位錯(cuò)的阻礙越大，即塑性變形抗力越大，因而強(qiáng)度越高。已有的研究表明［2］，片層間距與拉拔變形應(yīng)變量的關(guān)系式為：

式中：do——變形前珠光體片層間距;

ds——變形后珠光體片層間距;

ε——應(yīng)變量。

隨著拉拔過程的不斷進(jìn)行，珠光體片層逐漸變成纖維狀，并與拉拔方向相一致。但是，并不是所有的珠光體團(tuán)都是如此，當(dāng)某個(gè)原始珠光體團(tuán)片層與拉拔方向相垂直時(shí)，即該珠光體團(tuán)片層的取向因子為零，片層排列方向則無法進(jìn)行調(diào)整。然而，拉拔應(yīng)力也迫使?jié)B碳體片層發(fā)生劇烈扭折彎曲而變形，但并沒有使?jié)B碳體片層厚度明顯減小。在索氏體組織為主的82B盤條鋼中，滲碳體大致分為三種不同的取向：平行于拉拔方向，垂直于拉拔方向，與拉拔方向成一定傾斜角度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)及觀察，不同取向的滲碳體片層在拉拔過程中的變形情況如圖3所示［3］。

圖3 索氏體中滲碳體在拉拔過程中的變化情況

由圖3可以看出，當(dāng)滲碳體片層取向與拉拔方向一致時(shí)，拉拔后滲碳體片層取向保持不變，但滲碳體片層變細(xì);當(dāng)滲碳體片層取向與拉拔方向垂直時(shí)，拉拔后滲碳體片層發(fā)生嚴(yán)重彎曲;當(dāng)滲碳體片層取向與拉拔方向成一定傾斜角度時(shí)，拉拔后滲碳體片層取向發(fā)生改變，與拉拔方向一致，并且滲碳體片層變細(xì)。如果滲碳體分布粗大而且不均勻，在拉拔過程中，會(huì)使在滲碳體周圍的鐵素變形量太大而產(chǎn)生迅速的加工硬化，在后拉拔過程中迫使?jié)B碳體也做大量變形，然而滲碳體卻難以承受大量變形，其結(jié)果便是在強(qiáng)度較弱的鐵素體與滲碳體界面處出現(xiàn)裂紋，進(jìn)而在繼續(xù)拉拔的時(shí)候發(fā)生裂紋的擴(kuò)展直至斷裂。

如果滲碳體能以細(xì)小均勻的形態(tài)分布在鐵素體基體上，則在拉拔過程中，鋼絲可在整體范圍內(nèi)發(fā)生均勻的變形，而不會(huì)在局部的范圍發(fā)生位錯(cuò)的塞積;同時(shí)，細(xì)小的滲碳體片間的鐵素體發(fā)生拉長變形后，使得滲碳體更加的彌散分布。這既大大增強(qiáng)了鋼絲的強(qiáng)度，又?jǐn)U大了鋼絲的允許變形程度，提高了鋼絲的綜合性能［4-5］。經(jīng)過9道次的拉拔，由于索氏體良好的變形情況，在芯部無組織缺陷和異常相的情況下，拉拔不會(huì)出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象。

由以上分析可以看出，滲碳體片層越細(xì)，取向越與拉拔方向(縱向取向)一致，其拉拔性能越優(yōu)越。使?jié)B碳體片層細(xì)小的方法是軋后加大吹風(fēng)量，避免粗片狀的珠光體的形成，盡量得到較高的索氏體含量。對(duì)于滲碳體的取向則可以在末端軋制時(shí)采用大的變形量或采用大規(guī)格的連鑄方坯，在相變時(shí)大的縱向變形量有利于滲碳體片趨于縱向取向。

3.2 芯部馬氏體隨拉拔性能的演變

由于鑄坯中心合金元素的偏析，且Mn、Cr是穩(wěn)定奧氏體狀態(tài)的元素，造成盤條中心部位的C曲線比其表面的C曲線更靠右，使中心部位冷卻速度低于盤條表面，導(dǎo)致奧氏體保持到較低的溫度，奧氏體的低溫轉(zhuǎn)變自然就是馬氏體。馬氏體是一種硬而脆、塑性較低的相，顯微硬度＞900 HV。82B盤條芯部區(qū)域觀察到的馬氏體為呈竹葉狀的高碳隱晶馬氏體，利用電子探針分析［6］盤條芯部的 Mn、Cr偏高，其實(shí)質(zhì)就是成分偏析，即芯部馬氏體的形成與成分偏析密切相關(guān)，有的尺寸甚至可以超過50 μm。

在未拉拔前，芯部馬氏體由于組織應(yīng)力的存在已經(jīng)產(chǎn)生微小裂紋(如圖2(a))。但由于盤條中的馬氏體量相對(duì)較少，經(jīng)過第1道次或第2道次的拉拔，由于產(chǎn)生的裂紋不足于引起拉拔斷裂。隨著拉拔道次的增加及變形量的增大，拉拔使芯部的馬氏體與索氏體基本脫離，芯部的裂紋已經(jīng)不僅僅局限于馬氏體，而是已經(jīng)擴(kuò)展到索氏體基體之中。馬氏體周圍的索氏體的變形已經(jīng)繞開馬氏體而形成流變。馬氏體成為一個(gè)應(yīng)力集中源，若馬氏體顆粒較大，形成的裂紋也較多，裂紋擴(kuò)展的程度也較強(qiáng)，形成較多的裂紋源，易造成拉拔斷裂。這說明成分偏析也是線材拉拔脆性斷裂的原因之一。而采用擴(kuò)大連鑄方坯尺寸、嚴(yán)格控制鋼水過熱度、增加電磁攪拌等工藝技術(shù)，可控制成分偏析，預(yù)防芯部馬氏體的形成。

4 結(jié)論

1)由于索氏體屬于細(xì)片狀珠光體，因此它具有高的冷拉極限值，可以承受大的減面率，而且索氏體中的鐵素體相和滲碳體相高度彌散，片層間距小，所以當(dāng)盤條拉拔變形時(shí)，承受滑移的鐵素體相不易引起應(yīng)力集中。

2)索氏體中的滲碳體相為細(xì)薄片層形態(tài)，它在拉拔變形時(shí)能夠發(fā)生塑性變形，因此盡管經(jīng)過9道次的拉拔，索氏體基體仍然保持完好，沒有出現(xiàn)任何裂紋。

3)盤條芯部馬氏體組織，其塑性變形能力明顯低于索氏體，基本無變形，在拉拔力的作用下產(chǎn)生不均勻變形，在基本拉應(yīng)力和附加拉應(yīng)力的共同作用下，使盤條在第1道次拉拔時(shí)就在芯部出現(xiàn)裂紋，在接下來的多道次拉拔過程中，裂紋沿著拉拔方向不斷擴(kuò)展。

4)在實(shí)際生產(chǎn)中采用軋后加大吹風(fēng)量及在末端軋制時(shí)大的變形量或大規(guī)格的連鑄坯等工藝技術(shù)，得到具有片層細(xì)小且取向趨于拉拔方向一致的滲碳體;另外通過擴(kuò)大連鑄方坯尺寸、嚴(yán)格控制鋼水過熱度、增加電磁攪拌等工藝，可避免鑄坯合金元素的成分偏析，預(yù)防盤條芯部馬氏體的形成，提高拉拔性能。

［1］ 趙賢平，李子林，李靜宇.82B盤條常見質(zhì)量缺陷分析.金屬制品，2008，34(6)：34-37.

［2］ 涂益友，蔣建清，蔡磊，等.大應(yīng)變變形珠光體鋼絲微觀組織結(jié)構(gòu)的研究.鋼鐵，2008，43(7)：72-73.

［3］ 于慶波，劉相華，趙賢平.控軋控冷鋼的顯微組織形貌及分析.北京：科學(xué)出版社，2010：237-238.

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［6］ 陳方玉.82B線材脆性斷裂原因分析.武鋼技術(shù)，2005，43(6);9-11.