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45钢棒拉拔中心横向裂纹原因分析
管庆刚，栾兆亮
（莱芜钢铁股份有限公司，山东莱芜
271104）
摘 要：针对45钢棒拉拔中心存在的横向裂纹，从材料的金相试验、硬度检测以及拉拔工艺等方面进行了分析，确定拉拔模角偏大、材料心部增碳是造成拉拔中心横向裂纹的原因，提出了严格炼钢操作规程和制订合理的拉拔工艺参数等建议。
关键词：45钢；中心横向裂纹；拉拔工艺；拉拔模角；心部增碳
拉拔制品的尺寸精确，表面光洁，其生产工具与设备简单且维护方便。因此，这种加工方法仍普遍应用于机械零件的生产中。但一些45钢在拉拔时，产生了中心裂纹缺陷，对金属制品的危害较大。
1
钢材检验
1.1
生产工艺
采用链式单线拉拔机，拉速12m/min，模角15°。工艺流程：坯料验收→轧头→热处理→润滑→拉拔→切头→矫直→精整→验收→包装入库。
1.2
裂纹宏观形貌
中心裂纹是在拉拔工序中出现的，表现为轴向周期性的横裂，甚至钢材被拉断。
1.3
金相组织
对中心裂纹的两个试样（1#、2#）进行横向及纵向金相组织检验，其中1#、2#分别为一道次及三道次后出现的。金相组织照片见图1～4。
图1
1#边部纵向组织250×
图2
1#心部横向组织250×
图3
2#边部纵向组织250×
图4
2#心部横向组织250×
1.4
硬度测定
对45钢中心裂纹试样进行硬度检测，1#样心部硬度HB202，边部HB216，2#样心部HB211，边部HB225。
2 原因分析
2.1
金相组织分析
45钢的基本组织为珠光体和铁素体。由图2和图4可知，拉拔后表层金属组织发生了明显的变化，珠光体和铁素体晶粒均被拉长。而心部组织仍为退火状态组织，珠光体和铁素体均匀分布，晶粒为等轴晶（图3、图5），未发生明显的塑性变形。可以看出，拉拔时，变形不均匀，没有深入到钢材心部。
对比图1、图3发现，因拉拔道次的不同，2#样的变形程度明显大于1#样。
图4的组织几乎全是等轴珠光体，其心部碳含量已经远超出了45钢的范围，说明钢材存在明显的心部增碳。由于珠光体相对于铁素体强度大而塑性差\[1\]，因而钢材心部塑性变形能力较边部变差。
图5是裂纹形成并扩展后末端部位的显微组织，在裂纹两侧，珠光体和铁素体晶粒已经明显被拉长，说明材料的外层部位沿着轴向发生了明显的塑性变形。对2#样横断面进行抛光，发现钢材内部存在较大颗粒的夹杂物（图6），从夹杂物的形貌与界面看，属外来夹杂物（耐火材料脱落、合金携带等），可知此炉钢材质不纯净。夹杂物割裂了基体金属组织，增大了裂纹倾向。
图5
中心裂纹
100×
图6
夹杂物 100×
2.2
受力分析
拉拔变形区金属所受的应力应变情况见图7。
图7
拉拔应力应变情况
摩擦力T可使周边的金属受到附加压应力。当T增加时，其附加应力随之增大，从而使内外层受力的差异性提高，增大了内外层变形程度的不均匀性。经调查，该批钢材表面锈蚀较为严重，拉拔前用户没有进行酸洗加工，这样就增大了金属和模壁的摩擦力，加剧了表层和心部变形的不均匀度。
模角最佳区间为6°～9°。当模角偏大时，将使金属在变形区中的流线急剧转弯，导致附加剪切变形增大，继而拉拔力和非接触变形增大，使变形不能深入到心部。所以，原工艺中模角为15°偏大。同时，由于在拉拔时，周边金属的实际流动速度大于心部，因而心部金属受到周边金属的一附加拉应力。
综上所述，心部金属未发生塑性变形以缓冲轴向应力，当外加拉拔应力和附加应力超过心部金属的抗拉强度时，会使钢材在心部出现拉裂。轴向应力由变形区的入口到出口逐渐增大，所以一旦出现开裂，裂纹就会变长，裂缝变宽。前一裂纹形成后，使拉应力松弛，裂口后面的金属拉应力减小，再经过一段长度后，拉应力又重新达到极限强度，将再次发生拉裂，这样拉裂-松弛-再拉裂的过程继续下去，就出现了周期性的中心裂纹（见图8）。
图8
中心裂纹形成示意图
2.3
硬度分析
由于试样表层和心部变形不均匀，加工硬化程度也不一样，根据硬度和强度的经验公式：
σb=K·HB
式中
σb——材料的抗拉强度；
HB——布氏硬度；
K——系数（退火状态的碳素钢，K为0.34～0.36）。
计算得，1#样心部σb约为675MPa，边部σb约为720MPa；2#样心部σb约为700MPa，边部σb约为750MPa。可见心部的强度明显低于边部。由此可知，应力增加时，将首先达到心部的强度极限。
2#样存在心部增碳现象，其心部强度值较高，经多个道次的拉拔才达到心部的强度极限，因而其加工硬化程度大于1#，硬度值较高。
3
改进建议
（1）炼钢工序应严格执行操作规程。炉前应重点做好终点C控制，提高一次拉碳命中率，减少C的波动；冶炼过程强化还原脱气操作，减少钢中气体含量；确保吹氩时间，减少成分偏析并促进夹杂物上浮，同时应防止钢液翻卷，避免保护渣卷入钢中。
（2）对拉拔工艺，表面锈蚀或氧化铁皮较厚，在拉拔前应对钢材进行酸洗处理；制订合理的工艺参数；拉拔过程中应确保润滑良好。
4
结 论
4.1
拉拔工艺及操作不当，如模角太大、未酸洗、金属内外变形不均匀是造成中心裂纹的主要原因。
4.2
心部增碳使内外层塑性变形能力差别较大是造成中心裂纹的又一原因。
4.3
夹杂物的存在增加了中心裂纹产生的倾向。
4.4
建议严格炼钢操作规程，制订合理的拉拔工艺参数，以消除裂纹缺陷。
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