SWRH82B盘条拉拔断裂原因分析

    摘要：观测在连铸小方坯一火成材SWRH82B盘条生产高强度低松弛预应力混凝土结构用钢丝和钢绞线的过程中时常出现断裂现象，并分析其原因。研究认为断裂的主要原因是原材料成分偏析、组织异常和盘条表面缺陷及制品厂生产过程中焊接方面的不良操作。

    关键词：82B盘条  预应力钢丝  断裂  硬擦伤  铜渗

    SWRH82B盘条主要用于生产高强度低松弛预应力混凝土结构用钢丝和钢绞线，广泛用于高层建筑、大跨度桥梁、水利设施等重点工程。要求该钢种的原材料(线材)具有稳定的化学成分、纯净的钢质和优良的力学性能。盘条生产厂在生产工艺、技术、质量上下了很大的工夫，取得了不少成果。但制品厂在使用国产连铸SWRH82B高碳钢盘条进行拉丝过程中，还时常出现断裂。不仅影响产品的质量，而且严重影响制品厂的生产效率和收得率。本文对积累的断裂试样进行分析。

1、盘条表面缺陷引起的拉拔断裂

    对拉拔断裂试样进行表面检查，发现某些试样表面有明显的擦伤和裂纹痕迹，擦伤和裂纹试样的形貌如图1、图2。

    对大量拉拔断裂样观测发现，其断裂源大多在线材的表面，擦伤沿线材长度方向呈斜向，观察发现，裂纹由表面向内深入，裂纹周围金属变形流线清楚，唯有三角形区域观察不到流线，似为不变形硬组织，如图3b所示。在放大500倍显微镜下进一步观察，该三角区的组织为针状马氏体+屈氏体组织，其面积为0.12mm*0.15mm，如图3c所示。产生该组织的主要原因是由于冷态下的快速硬擦伤造成该擦伤微区的温升达到很高的温度，但由于擦伤微区比容很小，故冷却很快，产生马氏体组织。在拉拔过程中马氏体组织不变形，造成拉拔时的表面裂纹，并随变形量的逐步增加，裂纹逐渐扩大以致断裂。

2、中心夹杂物引起的拉拔断裂

    对拉拔断裂试样的断裂源进行电镜扫描观察，发现中心存在夹杂物富集。其富集区的大小约为0.5mm*0.3mm。对多个断裂试样的观察表明，夹杂物的颗粒大小一般在30μm以上。

    对夹杂物作进一步的能谱分析，该夹杂物为铝酸钙类型，该类夹杂物主要是在炼钢脱氧过程中产生。由于小方坯的凝固特性，很容易产生成分中心偏析和非金属夹杂物的偏聚。

    由于线材中非金属夹杂物的存在，破坏了组织或基体的连续性，夹杂物的存在起到了一个显微裂纹的作用，一旦受力将成为裂纹源，当裂纹达到失稳状态尺寸，便瞬时产生断裂。因此，盘条中心非金属夹杂物的存在对盘条的拉拔性能来说是致命的。

3、盘条异常组织引起的拉拔断裂

    通过对大量断丝样归类分析，并将其中一部分的断丝样中心进行纵剖观察，发现存在粗细不均、断续分布的一条或多条白条带组织，如图6所示，并有垂直拉伸方向的短细裂纹存在。

    进一步了解其白条带的形成原因，对图中白条带和条带边缘区分别在电镜扫描下进行观察及能谱分析，如图7a、图7b所示。从图7看出：在图6中1点区其Mn，Cr及Ti含量较高；2点的Mn，Cr含量也比熔炼成分高。盘条中心异常组织的能谱分析结果见表1、表2。

表1  图6裂纹区1点能谱分析结果

 表2  图6中裂纹2区点谱分析结果 

    由表1、表2可以看出，盘条中心存在Mn，Cr等合金元素的偏析。由于铸坯中心合金元素的偏析，盘条在正常冷却速度下使C曲线右移，而在中心产生条带状马氏体异常组织。马氏体硬而脆，在拉拔过程中由于不易变形而易产生横向裂纹，最终导致拉拔断裂如图6所示。据不完全统计，此原因造成的断丝约占总断丝的30％以上。

4、盘条焊接不良引起的断裂

4.1焊接熔合区异常组织及断裂

    制品厂在使用82B线材拉丝过程中经常在熔合区产生断裂。为分析断裂原因，取了大量熔合区断裂的试样和焊接未拉拔的试样进行分析,如某制品厂焊接样焊口区，在熔合区有一横向白带。经进一步高倍观察发现该区为粗大的铁素体网包围养细片珠光体，并有魏氏组织出现，其铁素体网络的实际晶粒度相当于3-5级。其中黑线焊口两端(靠表皮)的组织为细片状珠光体，表明整个焊口区的金相组织是不均匀的。对焊后拉拔断裂的试样进行高倍观察，同样发现在断裂区域存在铁素体网状组织。

    铁素体组织的存在、魏氏组织的产生主要是由于焊接过程的过热和冷却不均产生的，这种组织的存在使材料在进行拉拔时强度达不到规定要求而产生早期断裂；

4.2焊接夹持区异常组织及断裂

    断裂试样的分析中发现在断裂源脆断面边缘的表面有一小黄亮区，形似电弧触发点。通过对该区的电镜扫描观察，发现有铜渗现象。显微镜下观察，该区表层有铜相渗入见图9b的A处，深度约0.02mm。试样经腐蚀后观察，发现断裂源区为马氏体组织+屈氏体组织。

    通过观察分析电弧触发引起表层渗铜，电弧触发点位于焊钳夹持区。由于焊钳夹持的压紧力小或焊钳老化磨损接触不良，在焊接通电时产生电弧引起。电弧引起触发点的局部高温，在随后的冷却过程中，由于该微区的比容很小，故冷却很快而产生马氏体组织。

5、结语

    为了确保国产连铸料生产钢绞线的质量，需进一步做好以下几方面工作。

(1)线卷在生产、运输过程中要加强表面保护，特别是在打包及叉运过程的表面保护，防止硬擦伤。

(2)进一步提高钢水的纯净度，控制钢中非金属夹杂物的形态和数量，防止夹杂物偏聚和较大颗粒夹杂物的产生。

(3)优化连铸工艺参数，严格控制连铸坯的中心偏析。

(4)优化焊接工艺，规范焊接操作，防止焊接的组织缺陷和局部接触不良的电弧触发。

致谢

本文在黄龙高工的指导下完成，高德成、舒展参与了本文有关试验工作，在此一并表示感谢。

作者简介

黄国贤：1961年2月生，江苏泰富兴澄特殊钢股份有限公司产品开发处工程师。