分享：线材拉拔断裂缺陷分析

钢绞线是由多根钢丝绞合构成的钢铁制品，采用高碳钢盘条，经过表面处理后冷拔成钢丝，然后按钢绞线结构将一定数量的钢丝绞合成股，再经过消除应力稳定化处理而成。预应力钢绞线的主要特点是强度高、松弛性能好，另外展开时较挺直。因此对性能的要求较高，一般要求有良好的表面质量和心部质量，足够的强度和适当的组织，优良的拉拔性能。常用的材质如SWRH77B、SWRH82B等。

近期部分用户在生产过程中陆续出现批量拉拔断裂缺陷，已严重影响钢材正常上交。受生产厂委托，通过化学成分、夹杂物及金相及等方法对开裂进行了系统分析。

1.   裂纹分析与讨论

1.1   裂纹形貌特征

缺陷盘条规格为12.5和13.0 mm。用户的生产工艺为：盘条—物理除磷—磷化—皂化（提高线材拉拔时润滑）—拉丝（拉拔到5.05 mm）—捻股（共七股）—成品（钢绞线），拉拔断裂出现在盘条开料展直、粗拉及捻股工序。盘条开料展直时断裂，可通过焊接继续生产，捻股时断裂，则无法通过焊接继续生产，只能分料。

钢丝断口主要分为两种：杯锥状断口及斜断口。两种断口形貌有显著差别，产生原因也存在明显不同（图1）。

用户生产现场的工序布局，钢丝的生产并不是一次拉拔完成，而是单独设置一道次拉拔螺旋肋的工序。用户反馈在进行螺旋肋加工时钢丝的焊接部位断丝现象较为普遍。

经对斜断口宏观观察（图2），裂纹源位于线材外表面，由此处开裂后呈放射状导致整体撕裂。宏观上呈现裂纹源区、纤维区和扩展区，裂纹的断口形貌为解理[1−2]。放射条纹呈人字形，人字形的尖部指向试样边缘，说明断裂起源于线材外表面，试样外表面有“V”形缺陷，与拉拔方向一致。试样的裂纹源均起源于线材外表面[3]。对外表面仔细观察，个别斜断口断裂源附近存在明显的凹、裂缺陷，经观察，可认定为擦、划伤缺陷。而杯锥状断口经低倍检验，存在明显心部孔隙性缺陷。初步的检查已经暴露了一些缺陷成因，为进一步对缺陷产生原因加以确认，有必要进一步系统分析。

1.2   化学成分检验

取试样进行光谱及气体含量分析，各项成分均未见异常，全部满足BYBZ008—2011的要求。钢水中P、S、O、N的含量均达到了正常的范围内，钢水纯净水平尚可，具体成分如表1所示。

1.3   非金属夹杂等检验

对试样分别进行夹杂物、脱碳层组织检验（表2），夹杂物均为细系，级别不是太高，因此夹杂物不是导致SWRH82B拉拔断裂的直接原因。另外表面未见明显脱碳层，检验结果正常。

1.4   金相检验结果

对出现开裂的试样根据类型分别取样分析，盘条的基体组织为索氏体+珠光体+少量碳化物。其中出现杯锥状断口的试样基体金相组织正常但心部存在不同程度的疏松、缩孔缺陷（图3）。

方坯在连铸过程中，由于钢液在结晶器内冷却条件的差异，铸坯纵断面中心产生“晶桥”，将钢液隔开，桥下部分凝固最晚，当参与液体凝固收缩时，因得不到其他液体的补充在中心形成疏松或者缩孔[4]。疏松和缩孔在铸坯的轧制过程中不能焊合，则在拉拔过程中便降低了钢丝的抗变形能力并成为钢丝拉拔过程的断裂源，引起杯锥状断口。

而斜断口试样检验过程中发现表面存在马氏体组织，厚度在20~50 μm，该组织的存在，诱发拉拔过程断裂现象的发生。出现表面高碳马氏体，主要是因为炼钢浇铸过程中拉速、结晶器液面的不稳定使结晶器卷渣，从而造成连铸坯表面增碳（渗碳）。由于表面局部增碳，致使该部位碳含量远高于基体，从而使该部位金属冷却“C”曲线右移，使过冷奥氏体稳定性增大，该部位金属在相同的冷却速度下也能得到高碳马氏体组织；而表面的冷却速度本身就较快，这更保证了表面生成高碳马氏体组织的条件，促成了高碳马氏体组织的生成。另外心部存在明显的混晶现象，如图4所示，钢丝心部大小晶粒混杂。在后期拉拔过程中钢丝组织出现的严重混晶部位产生巨大的内应力，从而加速拉拔断裂现象的发生。另一方面由于钢丝经过拉拔加工后其加工硬化程度及晶粒的流向形变都使得焊接部位的应力集中情况要高于母材的焊接部位。相应的焊接点断裂频次也要高出母材。

2.   缺陷产生原因分析及解决措施

2.1   缺陷产生原因分析

通过对样品宏观及微观分析，认为拉拔断裂的原因如下。

（1）盘条表面出现了异常组织马氏体，这种现象在环境温度较低的冬、春季更为明显。而且母材表面处还存在擦划伤，缺陷遗传至钢丝表面，更易在该部位产生内应力集中，形成断裂源，诱发盘条在开料展直或粗拉过程的斜断。另外由于拔丝模具的老化、损坏或拔丝润滑剂润滑效果不理想也可能造成钢丝斜断。

（2）盘条拉拔过程出现杯锥状断口的主要原因是铸坯芯部疏松、缩孔缺陷，经盘条轧制后未能够得到有效焊合，从而诱发钢丝心部拉拔断裂。

（3）客户生产过程工艺布局、设置存在一定问题，生产过程不具有连续性，重复性的焊接操作增加了焊接部位拉拔过程断丝的几率。这与客户反馈断丝多发部位相互印证。

2.2   工艺改进措施

根据原因分析，在连铸、轧制等工序分别采取了如下措施。

（1）盘条表面的擦划伤缺陷，在盘条的生产、储运及后期使用操作各个环节均有可能出现。针对厂内“冷”状态下盘条划伤类的表面缺陷的防控，已经制定了相应的操作、管理规范并加强了现场实物的抽检。其他环节的防控需要进一步加强与关注。另外在运输与后期加工使用的过程中同样需要加强对盘条表面质量的防护。

（2）从化学成分控制角度适当降低SWRH82B盘条C含量放行指标，达到缓解盘条硬化性能的目的。

（3）加强铸坯凝固组织的控制与管理，从过热度、电磁搅拌及拉速配比上进行优化。保证铸机冷却系统运行正常，铸坯喷淋、冷却均匀。保证铸坯凝固组织稳定，将铸坯低倍检验作为铸坯放行轧制的约束条件执行。

2.3   质量改进效果

经强化现场操作规程后，后续用户生产使用过程取得了较好的效果，批量拉拔断裂得到了有效改善，在提高了劳动生产率的同时，也避免了外部异议的发生。

3.   结论

（1）拉拔斜断缺陷是由于盘条表面出现了异常组织马氏体以及表面擦划伤所致。

（2）拉拔杯锥状断裂是铸坯芯部疏松、缩孔缺陷，经盘条轧制后未能够得到有效焊合，从而诱发钢丝心部拉拔断裂。

（3）通过工艺优化，可以有效避免此类缺陷的产生。

参考文献

[1]亓奉友, 陈戈萍, 孙杰青. SWRH82B盘条脆断原因分析. 金属制品,2005(6):28doi: 10.3969/j.issn.1003-4226.2005.06.010

[2]崔约贤, 王长利. 金属断口分析. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 1998

[3]冯岩青. 线材拉拔断裂原因分析. 理化检验:物理分册,2011,47(9):557

[4]张全刚, 马志军, 琚艳军, 等. 82B线材拉拔脆断原因分析. 金属制品,2007(4):16doi: 10.3969/j.issn.1003-4226.2007.04.005

文章来源——金属世界