鋼絲拉絲脆斷原因分析

斷絲在鋼絲生產(chǎn)過程中經(jīng)常發(fā)生，其原因及斷口形貌也錯綜復雜。斷絲的頻繁出現(xiàn)既增加生產(chǎn)組織的難度，有影響產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)廠家的信譽。在生產(chǎn)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，鋼絲在各生產(chǎn)工序都發(fā)生過脆斷現(xiàn)象，究其原因，在工藝參數(shù)不變的情況下，斷絲絕大部分是因原料及操作問題造成的，所以，有必要對原料缺陷及操作不當造成鋼絲斷絲的原因進行分析研究。

斷口斷面分析

法國的LucPeeters于1980年發(fā)表文章，他對鋼簾線捻制斷絲的斷口進行了分析。這可能是最早用掃描電境（SEM）分析簾線捻制斷口的工作。LucPeters用SEM分析了1000多個捻制斷口，并用統(tǒng)計分析方法，對斷口分析結果進行了處理，將捻制斷口分為六大類型。

Ⅰa型：斷裂源為氧化鐵，其敞露在鋼絲表面，結構為粒狀，形成鏈狀埋入物。其形成原因可能為線材表面折迭引起；

Ⅰb型：同前，但埋入物成單獨分布而不形成鏈狀，內(nèi)含W和Co，可能為線材熱軋時產(chǎn)生；

Ⅱ型：所看到的唯一標準是，寬闊裂口敞露在鋼絲的外邊緣，起因不外乎含W和Co的埋入物或氧化物；

Ⅲ型：其缺陷為20～100μm的非金屬夾雜物，呈球形或不規(guī)則形狀，是不同成分比例的Al、Ca、Si的氧化物，其中Al2O3可單獨出現(xiàn)，其形成原因為煉鋼時加Al脫氧所致；

Ⅳ型：杯錐狀斷口，其特征同拉拔斷絲的斷口相似，可能為拉拔缺陷而造成，線材的碳偏析亦可導致這種類型的斷絲斷口，這種斷口很少見；

Ⅴ型：沒有發(fā)現(xiàn)缺陷，只是在斷頭附近的鋼絲表面有高度扭轉變形的痕跡，認為其主要原因可能是捻制工藝有問題，如鋼絲在滑輪上跳動，以及收線不當?shù)龋?/P>

Ⅵ型：其他各種不同形狀的斷口，這類斷口很少見；

總之，LucPeeters認為，鋼簾線捻制時的斷絲，主要是由于鋼絲本身的夾雜物及其生產(chǎn)中遺留在鋼絲表面層的埋入物。

AkitoshiYoshimochi等人在1983發(fā)表的文章中，研究了鋼中雜物對簾線雙捻斷絲的影響。他們同樣用SEM對斷口進行分析，依其原因，將斷口分為四種類型；

1、不可變形夾雜物造成斷口，這些夾雜物主要是氧化鋁和鋁酸鹽；

2、碳化鎢和鈷造成的斷口，其來源為鋼絲拉拔時所用的拉絲模和盤條軋制中所用的軋輥；

3、杯錐狀斷口，認為這種缺陷已經(jīng)存在與拉拔后的鋼絲中；

4、其它各種斷口。

根據(jù)斷口分析結果及進一步的研究，AkitoshiYoshimochi等人認為，生產(chǎn)鋼簾線時，引起斷絲的主要原因為大快的氧化鋁和鋁酸鹽，這些有害夾雜物在簾線生產(chǎn)過程中很少破碎；鋼絲斷口上看到的夾雜，其成分與化學結構和線材中看到的一致；大于50μm的脆性雜物能引起Φ0.175鋼絲捻制時破壞。

MichelBaroux和GerandMangel于1984年發(fā)表文章指出，在鋼簾線生產(chǎn)過程中，鋼絲終拉尤其是捻制簾線時，斷絲的主要原因為存在與盤條中的分金屬夾雜物，并發(fā)現(xiàn)在杯錐狀斷口中，其錐頂上存在或者不存在夾雜物，對其進行成分測定，證明為氧化鋁夾雜。

一、夾雜物引起斷裂

線材中非金屬夾雜物的存在，破壞了組織的連續(xù)性，起到了一個顯微裂紋的作用。當受到外力作用時，在夾雜物的頂端首先產(chǎn)生附加的應力集中。尤其在原奧氏體晶粒交界處出現(xiàn)的大塊狀、條狀或片狀碳化物，這些異常碳化物在材料冷變形時，嚴重地阻塞了位錯的移動，致使該處產(chǎn)生應力集中。當應力集中達到一定大小時便會使碳化物開裂，或在碳化物與基體交界處產(chǎn)生裂紋。當裂紋達到失穩(wěn)狀態(tài)尺寸，地瞬時產(chǎn)生斷裂。

非金屬夾雜物的多少是衡量簾線鋼質(zhì)量高低的一個重要因素。在用SEM對斷口進行分析的過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)非金屬夾雜物。在典型的杯錐狀斷口上有時候就能發(fā)現(xiàn)夾雜物，SEM表明大多為三氧化二鋁夾雜或其它高熔點脆性夾雜物。其避免主要是通過精煉，使夾雜物變?yōu)樗苄缘腿埸c夾雜物。

脆性夾雜物是引起鋼絲斷裂的重要原因之一，而夾雜物引起斷裂分為以下幾種形勢：

1、夾雜物與鋼基體之間界面脫開

拉伸過程中，在夾雜物周圍的局部加劇了應力集中；裂紋優(yōu)先在與拉應力垂直的夾雜物與基體的界面產(chǎn)生并沿著夾雜物與鋼基體界面擴展，致使夾雜物與基體界面脫開。

2、夾雜物本身開裂

由于脆性較矮雜物本身具有缺陷，在拉伸過程中，在缺陷處產(chǎn)生嚴重的應力集中，由于局部應力升高而導致夾雜物本身開裂。;

3、混合開裂

鋼中非金屬夾雜物的形狀、分布是沒有規(guī)律的，因此夾雜物在鋼中引起裂紋也是隨機性的，取決于夾雜物的性質(zhì)、尺寸、形狀及分布，對于同類型的夾雜物，由于形狀、分布和受力方向不同，往往產(chǎn)生斷裂的情況也不盡相同，有時兩種斷裂方式同時存在，有時兩種斷裂方式交替進行。4、沿兩種不同類型夾雜物的相界開裂

鋼中經(jīng)常出現(xiàn)幾種夾雜物相共生在一起的復合夾雜物，由于各類夾雜物之間的力學性能和物理性質(zhì)不同，相界結合力較弱，在拉應力作用下容易從相界開裂。

二、偏析引起的鋼絲斷裂

在一定程度上，中心偏析對鋼絲拉斷的危害必脆性夾雜物。因為偏析在更大程度上影響了鋼絲的延伸性，從而使塑性變形不能在存在偏析的地方產(chǎn)生。在鋼絲最初的拉拔過程中偏析導致小的裂紋的出現(xiàn)，等進入了最終拉拔時就導致了人字形斷口(chevroncracks)

在連鑄過程中減少中心偏析的途徑有以下幾個：

1、中心偏析隨著中包過熱度的降低而降低，因此中包的鋼液溫度應該盡可能的低；

2、在結晶器和二冷安裝電磁攪拌。結晶器的電磁攪拌能夠減少中心偏析的程度和范圍。電磁攪拌同樣可改善V形偏在鑄坯中心的存在；

3、盡可能的降低拉速，能夠減輕中心偏析程度。

三、馬氏體組織造成拉拔脆斷

硬線屬高碳鋼，控制冷卻時，若冷卻時間太短，對鋼材不起作用；若冷卻時間太長，就容易引起脆斷。在斯太爾摩控制冷卻上，穿水冷卻是奧氏體急速過冷階段。它的目的是控制具有高形變能壓扁的奧氏體晶粒長大和保留加工硬化的效果，為吐絲溫度和后部風冷段控制做準備。軋制硬線錯誤的指導思想是，企圖使線材表面淬成馬氏體，然后通過心部自回火方式形成回火馬氏體。如果這樣，在高速的軋制下線材表面得不到充分自回火，難免出現(xiàn)馬氏體殘余。因為線材直徑只有5.5mm，最大也只有9mm，它的斷面小，形變潛能也小，所以冷卻不能過急，宜控制在0.3～0.6s，使線材表面溫度始終在Ms以上(高于400℃)，以防止表面淬成馬氏體。硬線的散卷風冷相當于“等溫”處理階段，它的目的是控制鋼中以索氏體為主的組織，以利于提高拉拔性能。要求組織中鐵素體可能少且以塊狀均勻分布，而非網(wǎng)狀析出，因而也應采用快速冷卻方式。但若冷卻速度過快，也會產(chǎn)生貝氏體或馬氏體組織。尤其對于有合金元素偏析的鑄坯，冷卻速度達25℃/s就容易產(chǎn)生馬氏體。因此，冷卻速度宜為6～15℃/s，使奧氏體分解轉變在接近CCT曲線的鼻尖進行。對大直徑線材，可選擇高的初始冷卻速度，因為直徑增大，隨體積增加的熱焓量比表面所失去的熱量要大，有促使先共析鐵素體增加，珠光體組織長大之趨勢。高碳馬氏體既硬又脆，沖擊吸收功很低，斷后伸長率和斷面收縮率幾乎為零。同時，馬氏體的比容比奧氏體大，當奧氏體轉變?yōu)轳R氏體時鋼的體積增大。由于馬氏體轉變的不均勻性，這種體積變化將引起很大的內(nèi)應力，使鋼發(fā)生變形，成為裂紋的根源。這樣，在拉拔力或其它外力的作用下，易引起應力集中而使硬線脆斷。

四、嚴重脫碳層造成拉拔脆斷

線材的脫碳層直接影響著硬線的拉拔，對高碳硬線來說，嚴重的脫碳層好像一個缺口，不但承受面積小，應力增大，而且由于突然縮頸，容易引起應力集中導致拉絲脆斷。通過脫碳層深度超標而使硬線脆斷的試樣斷口觀察和試樣金相分析，發(fā)現(xiàn)有裂紋和組織兩個重要特征。第一，硬線表面均存在白色長條，其中平行地分布著橫裂紋，有的橫裂紋已深入基體。因此，硬線的斷線是由于它表層長條區(qū)內(nèi)的橫裂紋擴展而引起的。白色長條區(qū)是全脫碳形成的鐵素體組織，它是組織中的薄弱環(huán)節(jié)。第二，硬線組織不是所要求的以索氏體為主的組織，而是網(wǎng)狀鐵素體和粗片狀珠光體。網(wǎng)狀鐵素體的存在會導致抗拉強度下降，拉拔時承受變形能力差;粗片狀珠光體的存在也會導致硬線塑韌性及拉拔能力的降低。這兩種組織是由于加熱溫度過高、加熱時間過長，鋼的相變溫度偏高，過冷度小而析出的，是脫碳的前沿產(chǎn)物。此外，硬線隨拉拔變形程度的加大，加工硬化程度也增大，網(wǎng)狀鐵素體和粗片珠光體的存在又增加硬線的脆性。當硬線拉拔時，由于脫碳層產(chǎn)生橫裂紋，而鄰近網(wǎng)狀鐵素體和粗片狀珠光體又不能有效地阻止裂紋的擴展，且受到拉拔、收盤的扭絞力共同作用，部分硬線即刻脆斷。因此，鑄坯加熱溫度愈高，加熱時間愈長，爐內(nèi)漏氣或其他不正常因素愈多，脫碳會愈嚴重，從部分脫碳到全脫碳，使鋼失去更多的碳。為了防止脫碳，應嚴格執(zhí)行規(guī)章制度，對不同鋼號和規(guī)格鋼坯及時調(diào)整加熱溫度，提高工作的責任感。從控制脫碳優(yōu)化氧化鐵皮的角度考慮，爐內(nèi)應保持一定氧化氣氛，可形成薄的氧化鐵皮，阻止鋼坯表面繼續(xù)脫碳。在預熱段應緩慢加熱(至850℃，2h)，并有合適的保溫。鋼坯在850℃～1050℃時，由于脫碳有向拋物線頂點發(fā)展的趨勢，應嚴格控制加熱時間不超過30min,并要盡理縮短均熱段保溫時間。

五、其它非冶金原因

關于鋼絲拉拔時的斷絲，1984年ZeevZimerman和RoverJ.Henry對此作了探討。他們對鋼簾線用鋼絲在水箱拉絲機上拉拔時斷口用SEM進行分析，觀察到拉拔斷口大部分成杯錐狀。并指出，鋼絲拉拔時，表面層金屬比心部金屬變形大，這引起表面層金屬沿長度方向受壓應力而中心部分受拉應力，當此拉應力過大時致使在中心部位產(chǎn)生中心破裂，即形成V型裂紋或人字形裂紋。并認為這種V型裂紋是拉拔斷絲成為大量杯錐狀斷口的原因。雖然ZeevZimerman和RovertJ.Herry對此研究得很詳細，但是未能考慮后面工序中的捻制斷絲問題，未能指出兩種杯錐狀斷口的內(nèi)在聯(lián)系。1981年，EddyG.Demeyere在研究高低碳鋼的夾雜物對鋼絲拉拔時的可加工性能和機械性能的影響時，曾指出，在鋼絲拉拔到Φ0.25mm過程中，很少或根本沒有發(fā)現(xiàn)由于夾雜物引起的斷絲更令人驚奇的是，即使50μm大的零星存在的夾雜物也未能造成拉拔斷絲，而主要是由于表面缺陷或過在造成的斷絲。他說，這種情況與簾線捻制時不同，由于在捻制時鋼絲受到扭轉變形，則夾雜物的影響就顯得中大。顯然，EddyG.Demeyere試圖從夾雜物角度出發(fā)同時考慮簾線鋼用鋼絲的拉拔斷絲和年至斷絲問題，但在該文中，他對這兩種斷絲之間內(nèi)在聯(lián)系的探討僅此而已，未能進行深入研究。

因此，鋼絲表面缺陷、內(nèi)部夾雜物、熱處理工藝、拉拔工藝都可能導致鋼絲質(zhì)量不合理，從而在拉拔過程中斷裂。

鋼絲拉絲脆斷的對策

根據(jù)對斷絲原因的探討，著重解決鋼中夾雜物的大小及含量?？刹扇〉拇胧椋?/P>

1、改錠鑄鋼為連鑄鋼；

2、控制煉鋼過程中吹氧條件以便控制氧的含量；

3、防止氧氣頂吹轉爐的鋼渣混入鋼水；

4、改善煉鋼用的耐火材料；

5、改變擋板的角度和漏斗的深度，并在結晶器中用電磁攪拌的方法，來減少混入鋼水的夾雜物。

采用上述改進措施后，鋼簾線用鋼的夾雜物數(shù)量大大減少。最后降低了鋼簾線捻制時的斷頭率。

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