冷拔钢丝表面裂纹形态及成因

冷拔钢丝表面裂纹形态及成因
邢献强
(冶金部金属制品研究院)
摘要根据生产实践和研究表明，对钢丝表面质量影响最大的缺陷是裂纹。

文中给出了钢丝表面裂纹的各种形态，并分析了它们的成因。

关键词表面裂纹折叠划伤
MORPHOLOGY AND ORIGIN OF SURFACE
CRACKING OF COLD DRAWN WIRE
XING Xianqiang
(The Research Institute of Steel Wire Products
of Ministry of Metallurgical Industry)
ABSTRACT Based on production practice and research,it is concluded that the defect which has the most injurious effect on surface quality of steel wire is cracking.In the article the morphology of several kinds of surface cracking and their origin are given and analyzed.
KEY WORDS surface crack,lap,scratch
钢丝表面裂纹对钢丝随后的冷镦或在交变应力下服役的疲劳寿命影响很大。

如轴承钢丝表面裂纹造成冲球时产生大量废品，多年来一直是我国钢丝行业未能彻底解决的难题。

由弹簧钢丝制成的螺旋形弹簧主要的破坏形式是疲劳断裂，而表面裂纹又极易成为疲劳裂纹的萌生源，从而降低弹簧的疲劳寿命。

由此可见，为了防止轴承钢丝冲球时造成镦裂和弹簧在服役中出现早期破断，避免或减轻钢丝表面出现裂纹是十分必要的，
冶金部金属制品研究院中试二厂的主导产品是轴承钢丝和弹簧钢丝，但是自投产以来，表面裂纹一直是困扰其合格率提高的主要因素(表1)。

为了弄清这两种钢丝表面裂纹形态、分布及成因，于1994年初开始，进行了为期两年的跟踪研究。

1 试验方法
试验材料选用GCr15、65Mn、60Si2Mn、70号钢四种材质的钢丝，在1∶1盐酸水溶液中热酸浸，通过宏观、高倍金相和扫描电镜等观察，检测钢丝表面裂纹形态、分布。

2 试验结果与分析
表 1 1994～1995年钢丝表面缺陷(盘数)统计结果
Table 1Statistics results on surface defect of steel wire at the second pilot
plant from 1994 to 1995
注：括号中的数字为缺陷盘数占总盘数的百分数。

2.1表面裂纹形态
图1 是钢丝的几种典型的表面裂纹宏观形貌。

在实际生产中，钢丝表面可能有两种或两种以上的缺陷存在于同一根钢丝上，在同一根钢丝上也可能存在若干条深浅不一的裂纹。

图 1 钢丝表面裂纹形态
Fig.1Morphology of surface crack of steel wire(a)龟裂；(b)搓衣板状横裂；(c)舌状横裂；(d)舌状横裂；(e)垂直于钢丝轴向的横裂；(f)直线
型纵裂；(g)曲线型纵裂
2.2龟裂的形态及成因
由图1(a)可见，龟裂形状不太规则，类似龟背纹，裂口较大，深度一般不超过1.0 mm，严重的区域甚至造成钢材碎裂脱落。

它并不通条产生，呈断续分布，裂区长度一般不超过200 mm。

龟裂的出现比较罕见，在10多年的低倍酸浸检验中仅发现南方某特殊钢厂出的一批 φ8.0 mm 65Mn热轧盘条冷拉至 φ6.5 mm后有这种情况发生。

对裂纹区取样制成横向金相试样，观察发现钢材横截面上组织存在明显的5个区域(图2)。

非裂区(1区和2区)均属正常组织。

1区为铁素体含量较多的脱碳层，2区为珠光体+索氏体+沿晶界分布的半网状铁素体。

裂区3、4、5为异常组织区域。

3区为共析组织，即珠光体+索氏体，4区为珠光体+索氏体+沿晶界分布的网状渗碳体(图3(a))，5区为粒状贝氏体+少量珠光体(图3(b))。

由此可见，龟裂的产生原因是因为盘条碳成分局部存在严重偏析，使组织产生明显的区域性差异，最终导致盘条在拉拔时因形变不协调而产生裂纹。

图 2 组织分布示意图
Fig.2 Sketch of structure distribution
2.3横裂的形态及成因
横裂主要有三种形态：第一种是与钢丝轴向成一定交角，裂口呈搓衣板状的裂纹(图1(b))；第二种是舌状裂纹(图1(c)、(d))；第三种是垂直于钢丝轴向的横纹(图1(e))。

产生横裂的原因主要有以下几点：①冷拉时压缩率过大或拉拔速度过快；②模具入口锥度太大，使变形区太短；③钢质不良；④钢丝中存在不适宜冷拔的显微组织；⑤有酸洗氢脆；⑥润滑不良；⑦拉丝模破碎。

在实际工业生产中，由于工艺参数较为稳定，一般不会出现前两种情况，而后四种情况有可能存在。

为此，对图1(b)～(e)的钢丝横裂部位取样
进行金相分析，发现裂纹区组织正常，没有出现文献［1］中介绍的GCr15钢丝表面搓衣板状横裂是由于粒状珠光体中混有马氏体和屈氏体的现象，这说明本文遇到的横裂产生原因与③、④两种情况关系不大。

加之酸洗氢脆造成的横裂一般均为较整齐的横纹［2］。

由此可见，文中的搓衣板状横裂和舌状横裂是由润滑不良造成的，图1(d)中两道深而宽的划伤就是润滑不良的最好佐证。

图1(e)的横纹是拉丝模破碎引起的，典型特征为裂纹从拉丝模破碎后通条出现，且和拉丝模破碎部位相对应的钢丝表面因润滑不良而无润滑膜，露出发亮的金属基体。

2.4纵裂的形态及成因
钢丝表面的纵裂主要有两种形态：一种是平行于钢丝轴向的直线型裂纹(图1(f))；另一种是沿钢丝轴向表面呈曲线状分布的曲线型裂纹(图1(g))。

图 3 钢丝裂纹处的SEM形貌
Fig.3 SEM of crack at steel wire
(a)4区；(b)5区
将钢丝纵裂处制成横向金相试样，观察发现曲线型纵裂实际上就是折叠，和宏观形态为锯齿状的折叠(图4)在高倍下相类似，见图5。

其主要特征为裂缝与钢丝表面斜交，其边缘一般有严重的脱碳存在，缝内常伴随有氧化物夹杂。

大量检验结果表明，折叠的深度随钢种、炉号、产地、规格的不同差异很大，一般在0.08～0.45
图 4 折叠的宏观形貌
Fig.4 Morphology of lap
图 5 折叠的微观形貌
Fig.5 Microstructure of lap
(a)曲线型纵裂；(b)锯齿状折叠
mm之间，少数严重的可达1 mm以上。

有的盘条上只有一条折叠，有的则多达7、8条折叠，甚至更多。

产生原因是由于钢锭或钢材表面凹凸不平及尖锐的棱角等，在轧制过程中叠附在钢材上，或是耳子在后续轧制时叠合而成。

从纵裂产生原因的角度来看，直线型纵裂实际上可细分为三种：①实为折叠；②实为划伤；③真正的裂纹。

这三种裂纹在高倍下的形貌和产生原因见表2。

另外，在这三种裂纹中，主要是折叠和划伤，真正的裂纹很少。

折叠和划伤二者谁占的比例大应视具体条件而定，有时候折叠较多，有时候划伤较多。

2.5折叠在拉拔过程中的深度变化情况
由于对钢丝表面质量危害最大的是折迭，故考察了折叠在拉拔过程中的深度变化情况。

因盘条或钢丝上的折叠随位置不同深浅差异较大，故本试验跟踪同一炉号轴承钢丝，并以10根钢丝的折叠深度平均值作为统计结果(表3)。

由此可见，折叠深度及其所占钢丝直径百分比随丝径的减小而减小。

主要原因是盘条长时间的球化退火、酸洗及半成品的反复再结晶退火、酸洗，把表面的钢材给消除了一部分，使得折叠的深度大大下降。

加之折叠在热处理出炉后爆水(指盘条或钢丝退火出炉后立即浸入冷水之中，以便去掉或疏松钢材表面的氧化铁皮)和拉拔过程中不扩展，最终使得GCr15钢丝表面缺陷逐渐变浅，由不合格转为合格。

在实际生产中，综合合格率明显大于一次合格率就是这个原因。

表 2 三种直线型裂纹微观形貌及产生原因
Table 2 Microstructure and forming cause of three kinds of linear
cracks
图 6 第一种纵裂纹横向微观形貌
Fig.6 Microstructure at cross section of first crack 表 3 GCr15钢丝表面折叠在拉拔过程中深度变化情况Table 3Depth change of lap on GCr15 steel wire in drawing process
3 结论
(1) GCr15轴承钢丝和弹簧钢丝(包括65Mn、60Si2Mn、70号钢)表面裂纹有六种基本形态。

(2) 钢丝表面纵裂实质上主要是折叠和划伤，真正的裂纹很少。

(3) 应加强工艺管理，尽可能避免由工艺因素而产生的划伤和横裂。

(4) 应加强原材料进厂检验，尽量选择折叠或划伤少而浅的热轧盘
条投料。

(5) 对于一些质量要求较高的钢丝，如轿车悬架簧用钢丝和阀门簧用钢丝，可用扒皮机去除盘条的表面划伤和折叠。

参考文献
1 张德毅.GCr15钢丝冷拔横裂纹缺陷研究.冶金部金属制品信息网第17届年会论文集.文一元.《金属制品》编辑部.1995.289～292.
2 朱润岱.盘条的生拔与酸洗横纹.金属制品，1987，13(6)：27～30.
联系人：邢献强，高级工程师，郑州（450007）冶金部金属制品研究院中试二厂。