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(cuò)綜復(fù)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(yù)。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)原料缺陷及操作不當(dāng)造成鋼絲斷絲的原因進(jìn)行分析研究。

斷口斷面分析

法國(guó)的LucPeeters于1980年發(fā)表文章，他對(duì)鋼簾線捻制斷絲的斷口進(jìn)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(gè)捻制斷口，并用統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì)斷口分析結(jié)果進(jìn)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(jié)構(gòu)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(dú)分布而不形成鏈狀，內(nèi)含W和Co，可能為線材熱軋時(shí)產(chǎn)生；

Ⅱ型：所看到的唯一標(biāo)準(zhǔn)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(dú)出現(xiàn)，其形成原因?yàn)闊掍摃r(shí)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(dǎo)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(zhuǎn)變形的痕跡，認(rèn)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(dòng)，以及收線不當(dāng)?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(rèn)為，鋼簾線捻制時(shí)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(duì)簾線雙捻斷絲的影響。他們同樣用SEM對(duì)斷口進(jìn)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(shí)所用的拉絲模和盤條軋制中所用的軋輥；

3、杯錐狀斷口，認(rèn)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(jié)果及進(jìn)一步的研究，AkitoshiYoshimochi等人認(rèn)為，生產(chǎn)鋼簾線時(shí)，引起斷絲的主要原因?yàn)榇罂斓难趸X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(xué)結(jié)構(gòu)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(shí)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(shí)，斷絲的主要原因?yàn)榇嬖谂c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(duì)其進(jìn)行成分測(cè)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(gè)顯微裂紋的作用。當(dāng)受到外力作用時(shí)，在夾雜物的頂端首先產(chǎn)生附加的應(yīng)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(shí)，嚴(yán)重地阻塞了位錯(cuò)的移動(dòng)，致使該處產(chǎn)生應(yīng)力集中。當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到一定大小時(shí)便會(huì)使碳化物開裂，或在碳化物與基體交界處產(chǎn)生裂紋。當(dāng)裂紋達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)尺寸，地瞬時(shí)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(gè)重要因素。在用SEM對(duì)斷口進(jìn)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(shí)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(diǎn)脆性?shī)A雜物。其避免主要是通過精煉，使夾雜物變?yōu)樗苄缘腿埸c(diǎn)夾雜物。

脆性?shī)A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(shì)：

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(yīng)力集中；裂紋優(yōu)先在與拉應(yīng)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(kuò)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(yán)重的應(yīng)力集中，由于局部應(yīng)力升高而導(dǎo)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(jī)性的，取決于夾雜物的性質(zhì)、尺寸、形狀及分布，對(duì)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(shí)兩種斷裂方式同時(shí)存在，有時(shí)兩種斷裂方式交替進(jìn)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(fù)合夾雜物，由于各類夾雜物之間的力學(xué)性能和物理性質(zhì)不同，相界結(jié)合力較弱，在拉應(yīng)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(duì)鋼絲拉斷的危害必脆性?shī)A雜物。因?yàn)槠鲈诟蟪潭壬嫌绊懥虽摻z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(dǎo)致小的裂紋的出現(xiàn)，等進(jìn)入了最終拉拔時(shí)就導(dǎo)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(gè)：

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(yīng)該盡可能的低；

2、在結(jié)晶器和二冷安裝電磁攪拌。結(jié)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(shí)，若冷卻時(shí)間太短，對(duì)鋼材不起作用；若冷卻時(shí)間太長(zhǎng)，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(zhǎng)大和保留加工硬化的效果，為吐絲溫度和后部風(fēng)冷段控制做準(zhǔn)備。軋制硬線錯(cuò)誤的指導(dǎo)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?yàn)榫€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(fēng)冷相當(dāng)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(yīng)采用快速冷卻方式。但若冷卻速度過快，也會(huì)產(chǎn)生貝氏體或馬氏體組織。尤其對(duì)于有合金元素偏析的鑄坯，冷卻速度達(dá)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(zhuǎn)變?cè)诮咏麮CT曲線的鼻尖進(jìn)行。對(duì)大直徑線材，可選擇高的初始冷卻速度，因?yàn)橹睆皆龃螅S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(zhǎng)大之趨勢(shì)。高碳馬氏體既硬又脆，沖擊吸收功很低，斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率幾乎為零。同時(shí)，馬氏體的比容比奧氏體大，當(dāng)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí)鋼的體積增大。由于馬氏體轉(zhuǎn)變的不均勻性，這種體積變化將引起很大的內(nèi)應(yīng)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(yīng)力集中而使硬線脆斷。

四、嚴(yán)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(duì)高碳硬線來說，嚴(yán)重的脫碳層好像一個(gè)缺口，不但承受面積小，應(yīng)力增大，而且由于突然縮頸，容易引起應(yīng)力集中導(dǎo)致拉絲脆斷。通過脫碳層深度超標(biāo)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(gè)重要特征。第一，硬線表面均存在白色長(zhǎng)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(zhǎng)條區(qū)內(nèi)的橫裂紋擴(kuò)展而引起的。白色長(zhǎng)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(huì)導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度下降，拉拔時(shí)承受變形能力差;粗片狀珠光體的存在也會(huì)導(dǎo)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(shí)間過長(zhǎng)，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(dāng)硬線拉拔時(shí)，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(kuò)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(shí)間愈長(zhǎng)，爐內(nèi)漏氣或其他不正常因素愈多，脫碳會(huì)愈嚴(yán)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(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)章制度，對(duì)不同鋼號(hào)和規(guī)格鋼坯及時(shí)調(diào)整加熱溫度，提高工作的責(zé)任感。從控制脫碳優(yōu)化氧化鐵皮的角度考慮，爐內(nèi)應(yīng)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(yù)熱段應(yīng)緩慢加熱(至850℃，2h)，并有合適的保溫。鋼坯在850℃～1050℃時(shí)，由于脫碳有向拋物線頂點(diǎn)發(fā)展的趨勢(shì)，應(yīng)嚴(yán)格控制加熱時(shí)間不超過30min,并要盡理縮短均熱段保溫時(shí)間。

五、其它非冶金原因

關(guān)于鋼絲拉拔時(shí)的斷絲，1984年ZeevZimerman和RoverJ.Henry對(duì)此作了探討。他們對(duì)鋼簾線用鋼絲在水箱拉絲機(jī)上拉拔時(shí)斷口用SEM進(jìn)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(shí)，表面層金屬比心部金屬變形大，這引起表面層金屬沿長(zhǎng)度方向受壓應(yīng)力而中心部分受拉應(yīng)力，當(dāng)此拉應(yīng)力過大時(shí)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(rèn)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(duì)此研究得很詳細(xì)，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(duì)鋼絲拉拔時(shí)的可加工性能和機(jī)械性能的影響時(shí)，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(shí)不同，由于在捻制時(shí)鋼絲受到扭轉(zhuǎn)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(shí)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(duì)這兩種斷絲之間內(nèi)在聯(lián)系的探討僅此而已，未能進(jìn)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(dǎo)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(duì)策

根據(jù)對(duì)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(zhuǎn)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(jié)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(jìn)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(shí)的斷頭率。

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