1 前言

65Mn钢具有淬透性好, 脱碳倾向小, 最终产品硬度较高的特征, 且价格低廉, 切削性好。广泛应用于汽车、火车等交通运输工具制造业及电子业。它主要加工成钢丝、钢带, 用于制造各种截面较小的扁、圆弹簧, 板簧和弹簧片等; 也可制造圆锯片, 用于高速切削各类型钢、钢管和钢筋。但它有过热敏感性, 易产生淬火裂纹, 回火脆性以及冷变形塑性低等缺点, 易在后期加工及使用过程中出现问题^{[1, 2, 3, 4]}。

本文对65Mn钢带断裂的原因进行分析, 并提出改进措施。

2 实验内容

为提高65Mn钢带品质, 改善其加工性能, 本实验对断裂钢带的断口处分别进行OM及SEM分析, 查看其微观组织及断口形貌, 同时对未断裂的部分进行取样, 并做相同的分析。通过对观察结果进行对比分析, 对造成断裂的原因进行讨论, 提出相应的工艺改进措施。

3 实验方法

本次试验分析所采用的试样取自断裂的65Mn钢带, 同时也对正常的钢带进行了取样分析, 以便进行对比, 钢的化学成分见表 1。对进行金相观察的试样首先进行研磨抛光, 然后把抛光面放在苦味酸酒精溶液中浸蚀1分钟, 取出用清水冲洗, 最后风干, 以备观察。而对于SEM-ESD分析, 是把带有断口的试样放入专用的清洗容器中, 加入纯酒精溶液进行清洗, 然后取出、风干、进行分析。

4 实验结果及分析讨论 4.1 OM微观组织

正常的65Mn钢带的微观组织以珠光体为主, 并分布有少量的铁素体, 其组织的大小及均匀度决定了它的力学性能, 也会对加工性能产生影响。因此, 当65Mn基体中产生异常组织, 或者组织不均匀时, 在加工受力的情况下就会因应变不同而产生应力集中, 发生断裂。此次发生断带现象的65Mn厚度为6 mm, 断口部位的1/4及1/2处组织如图 1所示。

由图 1可以看出:此处65Mn带钢的基体组织都是珠光体和不连续的铁素体组成, 1/2处的组织大小和1/4处相比差别不大, 但是在1/2处有带状组织存在。带状组织和基体交接处, 应变过程中易产生应力集中而导致裂纹产生, 从而造成加工过程中断裂的可能。而未发生断裂部分的组织均匀一致(如图 2所示), 这样在受力过程中, 就会一致变形, 而不易导致断裂。

4.2 SEM-EDS分析

网状或半网状铁素体组织如图 3所示。SEM观察的组织可以看出, 在晶界处(奥氏体晶界)有网状和半网状铁素体析出, 组织以珠光体为主加部分屈氏体。试样中心金相组织如图 4所示, 可以看出中心偏析严重, 但没有看到网状或半网状铁素体, 珠光体也更加细小, 心部有白带, 白带中有断裂时产生的延伸裂缝, 与白带方向一致, 这说明白带处是试样薄弱点, 这也与断裂位置的分层吻合(如图 5所示)。

对白带部分的组织形貌进一步观察, 发现也是片层状珠光体, 但间距比基体组织更加细小(见图 6)。在白带与基体交界处有两条细长的铁素体带, 在受力时, 铁素体比较软, 首先产生滑移, 而附近又是比较硬的屈氏体, 滑移带无法通过, 容易萌生裂纹, 进一步受力就会引发断裂。

4.3 断口形貌分析

对断口试样分层处进行扫描, 发现断口为中心分层, 中心层为木纹状, 为完全脆性断裂, 而两边断口为石头状, 韧性相对较好, 木纹状的Mn质量分数高达2.43% (如图 7, 表 2所示), 基体中的Mn质量分数为1.03%;而正常断口形貌呈韧性断裂, 断口处布满韧窝(如图 8所示), 其断口处Mn的质量分数和冶炼成分基本一致(见表 3)。因此, Mn的偏析促进了脆性组织的产生, 导致受力时的不一致变形而对钢组织产生破坏。另外, 在中心层还发现夹杂物颗粒, 含有Si和O, w (Mn)高达16.52%, w (S)为9.33% (如图 9, 表 4所示), 表明有MnS生成, MnS属于韧性夹杂物, 可以随着钢基体变形, 但由于跟钢基体的延伸不一致, 致使在二者的交界处产生应力, 当钢基体受外力作用变形而产生应变时, 易在此处产生裂纹。所以, MnS夹杂物也会对断裂起一定的促进作用。

5 改进措施

针对上述现象, 提出相应的工艺改进措施。

1) 通过控制钢水过热度, 恒定铸机拉速, 重点控制好铸机的开口度及接弧精确度, 选择合适动态轻压下参数, 减少铸坯中心偏析, 防止铸坯内部出现裂纹。

2) 提高钢水纯净度, 强化冶炼过程中夹杂物的去除, 尤其要控制软吹时间, 要大于6分钟。

3) 控制精轧终轧温度在(850±15) ℃, 层流冷却采用25%低强度多路段冷却, 每段只开一排水管, 尽可能降低冷却速率; 提高钢卷存放场地环境温度, 防止因异常冷却而出现不良组织。

6 结论

通过对微观组织及断口处的形貌分析和对断裂的原因进行讨论, 得出主要结论如下:

1) 断裂主要是由于异常组织(网状渗碳体、过冷组织屈氏体等)产生所引起。

2) 当钢带中心出现带状组织时, 在受力时会产生不一致变形, 从而加剧断裂产生。

3) 断裂的钢带中存在着成分偏析现象, 成分的偏析会降低局部组织的相变点, 从而导致异常组织的出现。

4) 钢带中夹杂物以MnS为主, 由于跟钢带基体的变形不一样, 易在二者的接触面上产生应力集中, 对钢带断裂也有一定的影响。