H13大规格芯棒断裂失效原因分析

刘甲明，王超峰，杨为国，胡 平，陆明和

（1.烟台鲁宝钢管有限责任公司，山东 烟台 265500；2.宝山钢铁股份有限公司，上海 201900）

芯棒是限动芯棒连轧管机组重要的变形工具，通过轧辊与芯棒共同作用，毛管被轧成所要求的尺寸。芯棒由尾柄、延伸杆、工作棒通过螺纹方式连接而成，由于轧管过程中受到纵向拉力、横向振动等影响，延伸杆与工作棒连接处为薄弱点，易断裂。芯棒断裂会造成轧管机堆钢、脱管机架损坏等恶性事故，造成长时间停机［1-12］。本文根据芯棒断裂宏观形貌、力学性能、显微组织方面分析了芯棒断裂失效原因。

1 宏观形貌

Φ444.1 mm芯棒断裂处宏观形貌如图1所示，断裂处位于工作棒外螺纹处，断口形貌为脆性断裂。

2 试验分析

2.1 取样位置

金相、横向冲击和拉伸取样位置如图2所示。其中，冲击试样在芯棒1/2半径位置取样，规格为10 mm×10 mm×55 mm，V型缺口；拉伸试样同样在芯棒1/2半径位置取样，M16，试样直径do=10 mm，试样总长度Lt=128 mm；金相硬度试样沿芯棒径向取一长条。

2.2 性能结果

拉伸、冲击性能试样均在芯棒的1/2半径位置取样。芯棒的力学性能见表1，结果显示冲击性能不合格，单个值和平均值均低于20 J。

2.3 径向硬度与显微组织的变化

2.3.1 硬度变化

反映淬透性指标的芯棒径向硬度变化情况如图3所示，可见硬度沿径向分布基本均匀，未呈现明显的变化趋势，硬度值约为30 HRC。这反映出H13材质芯棒的淬透性非常好，符合淬透性要求。但硬度低于相关标准中 315～380 HB（33.3～40.8 HRC）硬度值的下限。

图1 芯棒断裂处宏观形貌示意

图2 芯棒金相组织、横向冲击和拉伸试样取样位置示意

表1 芯棒的力学性能

图3 芯棒径向硬度变化情况

2.3.2 显微组织变化

芯棒显微组织如图4所示。从图4可以看出，芯棒在1/2半径位置处的金相组织，其平均晶粒尺寸为20 μm，但在该处的液析碳化物数量多且长条状数量居多、尺寸大且常见多个液析碳化物聚集或成串分布。由于冲击取样位置按标准在1/2半径处，因而在液析碳化物上的差异是导致芯棒冲击功值较低的组织上的原因（室温冲击性能AkV2平均值为 10.3 J）。

芯棒1/2半径和心部两处位置的液析碳化物等级未见明显差异，这主要与冶炼工艺为电渣重熔有关，不同于常规模铸，由于心部偏析程度大于1/2半径，因而心部液析碳化物等级严重于1/2半径。通过径向液析碳化物等级无明显梯度差异也可反映出电渣重熔钢的优点，沿径向冲击性能应较稳定。

图4 芯棒显微组织

3 分析与讨论

一方面，表面形成的损伤在芯棒受力时可能成为应力集中位置，易于因局部应力过大而在表面形成裂纹。另一方面，如果材料自身的韧性又不足，就会导致芯棒在受到外力作用时，在应力集中位置（螺纹损伤位置）易于形成裂纹并迅速沿横截面扩展，从而发生整体断裂。

电渣重熔+锻造工艺生产的芯棒从表面至心部的组织较为细小，对韧性有利。但该断裂芯棒在径向各位置的液析碳化物数量均较多，形状多成长条状，且多个液析碳化物聚集呈链状分布，如将液析碳化物视作“夹杂物”，则“有效夹杂物”的尺寸较大，因而对韧性不利，这是造成芯棒断裂的主要原因。