1、2023.3,3（2）|材料装备技术与应用超高强度弹簧钢 SAE9254拉拔过程断裂原因分析王帅，王灿祥，邱军华，韩玉梅（南京钢铁股份有限公司特钢事业部，江苏 南京 211500）摘要：在拉拔过程中发现部分超高强度弹簧钢 SAE9254 发生异常断裂，通过对试样断口宏微观形貌、化学成分、金相组织和力学性能等分析，发现断裂属于杯状脆性断裂，裂纹起源点于试样表面擦伤处，微观组织为少量铁素体珠光体马氏体组织，无全脱碳，总脱碳层深度为 46 m；试样的化学成分符合行业标准，抗拉强度为 1988 MPa，硬度平均值为 54.5 HRC。优化盘条轧制工艺和拉拔工艺，可以有效减少表面缺陷；降低打捆压力，提高
2、打捆道次，可以明显减少打捆造成的挤压伤，降低拉拔过程的断裂情况。关键词：拉拔；超高强度弹簧钢；杯状脆性断裂；表面擦伤Analysis of the causes of fracture of ultrahigh strength spring steel SAE9254 in the drawing processWANG Shuai,WANG Canxiang,QIU Junhua,HAN Yumei（Special Steel Division of Nanjing Iron and Steel Co.Ltd.，Nanjing 211500，China）Abstract：In the pr
3、ocess of drawing，it is found that some ultra-high-strength spring steel SAE9254 has abnormal fractures.Through the analysis of macro and microscopic morphology，chemical composition，metallographic structure and mechanical properties of the specimen fractures，it is found that the fractures belong to c
4、up-like brittle fractures.The origin of the cracks is at the abrasion on the surface of the specimen.The microscopic tissue is a small amount of ferrite+pearlite+martensitic tissue without full decarburization，and the total decarburization layer depth is 46 m.The chemical composition of the specimen
5、 meets the industry standard，with a tensile strength of 1988 MPa and average hardness of 54.5 HRC.Optimizing the wire rod rolling process and drawing process can effectively reduce surface defects.Reducing the baling pressure and increasing the baling pass can significantly reduce the crush damage c
6、aused by baling and reduce the fracture of the drawing process.Key words：pulling；ultrahigh strength spring steel；cup brittle fracture；surface abrasion引言添加了 Si，Cr和 Ni合金元素的超高强度弹簧钢SAE9254 具有较高抗拉强度和延伸性能，同时还具有稳定的抗回火能力和较高的抗疲劳寿命；在一定温度的热处理工艺下，能提高 SAE9254 的淬透性，降低脱碳敏感区间等特点1。因此，作为广泛应用于汽车悬架弹簧2的 SAE9254 能够在周期性的弯
7、中图分类号:TG356.2+1 文献标志码:A 文章编号：2097-017X（2023）02-0081-04收稿日期：2022-12-10基金项目：南京钢铁股份有限公司超高强度弹簧钢重点研究计划项目（A174906010）。作者简介：王帅（1994），男，硕士，助理工程师。研究方向：超高强度弹簧钢和高标轴承钢。81曲、扭转等交变力条件下，经受拉、压、冲击、扭、疲劳腐蚀且能承受极高的突变载荷3。超高强度弹簧钢 SAE9254 经过拉拔后不仅可以获得所需要的钢丝规格，而且可以改善盘条的表面质量，减少盘条擦划伤等表面缺陷的影响，是线材加工过程中不可或缺的一道工序，但是在拉拔过程中往往会因为钢丝表面质
8、量或者内部缺陷而导致拉拔断裂4的现象，由于端口宏观形貌类似杯状，通常称之为“杯状断裂”5-6。通过研究超高强度弹簧钢SAE9254 在拉拔过程中异常断裂的原因，可以合理地调整轧制工艺以及拉拔工艺，对相应厂家的后续生产有着重要影响。1实验材料拉拔过程中自断的超高强度弹簧钢 SAE9254盘条试样取自某公司生产现场拉拔卷簧断口处，该弹簧钢的拉拔工艺过程为：弹簧钢线材放线矫直抛丸探伤预拉拔探伤打磨精拉拔卷取收线热处理。2实验过程2.1断口形貌宏微观分析从拉拔断口来看，断裂处均发生在外圈应力最大处，且断裂源处基本都存在表面缺陷。截取发生断裂现象弹簧钢试样断口，如图 1 所示。断裂断口主要表现为杯口状，
9、将断口两侧进行拼接，未发现明显的宏观塑性变形，但在体视显微镜下可以清楚地看见断裂起源于边缘，且断口起源处存在擦伤。采用扫描电子显微镜和能谱仪对 SAE9254 弹簧钢样品断口起源附近进行分析，样品断口形貌和样品断口侧面成分谱如图 2，3所示。可见断口起源处呈现较为明显的沿晶断裂特征，并且在该区域能看到较深的二次裂纹，裂纹沿着原奥氏体晶界进行扩展，裂纹起源区域的表面有一定的氧化现象，而远离断裂起源处以韧窝形貌为主。2.2化学成分对 SAE9254 弹簧钢样品断口处用光谱分析法测定其化学成分，并与标准盘条化学成分进行对比，测定结果如表 1所示。图 1拉拔断裂的 SAE9254弹簧钢断口宏观形貌图
10、3样品起源区域断口侧面成分谱图图 2样品起源区域断口形貌表 1弹簧钢的化学成分结果标准值样品值w（C）/%0.510.590.56w（Si）/%1.201.601.45w（Mn）/%0.500.800.68w（P）/%0.0250.01w（S）/%0.0200.01w（Ni）/%0.0350.02w（Cr）/%0.500.800.66 82超高强度弹簧钢 SAE9254拉拔过程断裂原因分析 王帅 等从 表 1 中 可 以 看 出，发 生 拉 拔 断 断 现 象 的SAE9254 弹簧钢其化学成分的质量分数均符合中华 人 民 共 和 国 黑 色 冶 金 行 业 标 准 YB/T 53182010
11、7。因此，SAE9254 弹簧钢的拉拔断裂现象与其内部的化学成分无关。2.3金相组织在 SAE9254 弹簧钢样品近断口处进行切割取样，经过镶嵌、砂纸磨样和抛光后，用 4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀，置于光学显微镜下观察样品截面金相，结果如图 4（a）所示，断裂试样的金相组织为少量铁素体珠光体马氏体组织，且晶粒粗大，不均匀；同时对断口处进行脱碳层深度检测，从图 4（b）中可以看出，样品断口边缘无全脱碳，存在点状半脱碳，总脱碳层深度为 46 m，符合总脱碳层深度必须低于 1%直径的要求8；由此可以看出，脱碳层并不是导致拉拔断裂的主要原因，而粗大不均匀的晶粒以及硬而脆的马氏体最终导致了超高强度弹簧钢S
12、AE9254的拉拔断裂。2.4力学性能通过万能力学试验机对 SAE9254 弹簧钢进行拉伸试验；用硬度计对发生断裂的 SAE9254弹簧钢心部、1/2 半径处与边部位置的硬度进行检测，具体数据如表 2所示。超高强度弹簧钢 SAE9254 的抗拉强度按照标准 应 在 19502000 MPa，硬 度 值 按 照 标 准 应 在53.554.5 HRC9；根 据 表 2 检 测 数 据 可 以 看 出SAE9254 弹簧钢的抗拉强度符合要求，断面的硬度整体较均匀，没有出现硬质点。因此，SAE9254 弹簧钢的力学性能方面不存在异常状况。3分析与讨论通过对超高强度弹簧钢 SAE9254 拉拔断裂的试
13、样进行断口宏观和微观形貌、化学成分、金相组织及脱碳、抗拉强度和硬度测试，可以发现试样拉拔时的杯状断裂是脆性断裂，裂纹起源点在试样表面的擦伤处，该区域呈现沿晶断裂形貌，并且有较深的二次裂纹；试样的微观组织为少量铁素体珠光体马氏体组织，无全脱碳，总脱碳层深度为 46 m；试样的化学成分和力学性能均符合国家相关标准。根据上述 SAE9254 弹簧钢断裂试样的综合分析，发现断口较为平齐，断裂表面与盘条的拉拔方向互相垂直，断口附近未发现明显的塑性变形；断口附近有明显的擦伤。在拉拔过程中盘条除了要受模具周向的挤压力外，本身也有轧制和冷却过程中的残余内应力。正常状况下，盘条的表面便是应力集中点，而盘条表面存
14、在擦伤，便会导致应力在某一部位集中，进而产生硬相组织，在后续精拉拔和卷簧过程中产生裂纹并迅速扩展，最终断裂。由此可以认为SAE9254 弹簧钢在拉拔过程中的断裂是因为表面擦伤而引起应力集中导致的拉拔断裂。因 此 从 预 防 断 裂 的 角 度 应 当 做 好 以 下 方 面工作：（1）盘条表面是应力集中点，需要进一步提高SAE9254 弹簧钢盘条的表面质量，杜绝表面缺陷，如翘皮，轧制性裂纹等缺陷；同时降低打捆压力，增加打捆道次，在不散卷的情况下降低由打捆造成的挤压伤和表面擦伤，做好运输过程中的防护工作。（2）优化轧机孔型和入口导卫，保证 SAE9254弹簧钢盘条的 C级尺寸精度，尤其是椭圆度控
15、制，避免在后续拉拔工程中出现异常组织。（3）优化轧制过程中的冷却工艺和时效处理等图 4样品断口金相照片表 2SAE9254弹簧钢的力学性能样品编号123平均值抗拉强度/MPa1975199919901988硬度/HRC心部53.854.254.154.01/2半径54.254.754.654.5边缘54.354.654.554.5 83方式，降低 SAE9254 弹簧钢盘条内的残余内应力，减少断裂发生的可能，同时调整拉拔工艺和探伤工艺，减少探伤盲区，并及时做好修磨，做好拉拔过程的润滑措施也能减少拉拔过程中的断裂。通 过 以 上 改 进 工 作，后 续 超 高 强 度 弹 簧 钢SAE9254
16、的拉拔过程能够顺利进行，断裂现象很少发生。4结论（1）超高强度弹簧钢 SAE9254拉拔断裂属于脆性断裂，断口呈杯状，无明显塑性变形，金相组织为少量铁素体珠光体马氏体组织，试样的化学成分及力学性能均符合国家标准。（2）超高强度弹簧钢 SAE9254拉拔断裂断口起源于表面擦伤，而表面擦伤会引起应力集中，进而产生硬相组织，且擦伤处硬相组织较多，无擦伤处则相对较少，这些硬而脆的组织在后续精拉拔和卷簧过程中产生裂纹并迅速扩展，最终断裂。（3）优化轧制工艺和拉拔工艺，可以有效减少表面缺陷，同时降低打捆压力，提高打捆道次，可以明显减少打捆造成的挤压伤，也能减少拉拔过程的断裂。参考文献：1 徐德祥，尹钟大.高强度弹簧钢的发展现状和趋势J.钢铁，2004，39（1）：67-71.2 唐劲松.轿车悬架簧用线材的市场需求与质量要求J.宝钢技术，2006（6）：9-12.3 吴婕，杭松，韩昊南，等.弹簧钢盘条拉拔断裂机理分析及对策研究 J.天津冶金，2015（B08）：79-81.4 彭小钢，曹标，谭莹，等.弹簧钢丝拉拔断裂原因分析J.理化检验（物理分册），2017（8）：599-602.5 杨金艳，肖良辰
