工程機(jī)械用型鋼沖擊韌性的實踐

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一、生產(chǎn)實踐中存在問題

1．1低溫沖擊性能波動

該產(chǎn)品批量生產(chǎn)時，屢次出現(xiàn)低溫沖擊不合格問題，因此對合格產(chǎn)品及不合格產(chǎn)品進(jìn)行對比分析。各項性能指標(biāo)的對比，可見不合格爐次與合格爐次產(chǎn)品的強(qiáng)度、伸長率、硬度及180°彎曲試驗均滿足要求，但不合格爐次產(chǎn)品低溫沖擊功平均值很低，僅為15．1J，合格爐次產(chǎn)品低溫沖擊功平均值為45．24J。經(jīng)對該批產(chǎn)品的化學(xué)成分檢驗，不合格爐次與合格爐次的實際化學(xué)成分均在控制范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。研究表明，材料的沖擊性能與成分偏析、氣體成分、組織均勻性、夾雜物含量及分布有關(guān)，為分析該批次產(chǎn)品性能不合格的原因，分別對兩者進(jìn)行了金相組織檢驗、夾雜物分析、氣體分析等。

1．2金相組織

將試樣經(jīng)過質(zhì)量濃度為3％的硝酸酒精腐蝕后，在DM13000M金相顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察，經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn)組織均為鐵素體加珠光體。但不合格爐次的組織中帶狀組織3～4級，晶粒度為7．0～8．5級，金相組織中存在大量魏氏組織，魏氏組織甚至貫穿多個帶狀組織，這與加熱過程中奧氏體粗化而引起的組織遺傳有關(guān)，嚴(yán)重影響了組織的均勻性；魏氏組織周邊為針狀鐵素體，與正常組織中的多邊形鐵素體相比，尺寸較大，組織心部為珠光體，尺寸達(dá)100μm。魏氏組織的形成與坯料加熱溫度、碳含量、奧氏體原始晶粒及冷卻速度有關(guān)。研究表明，對于亞共析鋼，當(dāng)w（C）＝0．15％～0．35％，奧氏體晶粒粗大且冷卻速度適中時，易形成魏氏組織，且奧氏體晶粒度越粗大（晶粒尺寸大于40μm），越容易形成魏氏組織。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)軋制溫度相同時，軋前的奧氏體晶粒愈大，消除魏氏組織所必需的最低壓下率就愈大；同樣的壓下率，奧氏體加熱溫度越高，軋前奧氏體的晶粒尺寸就越大，所得到的魏氏組織級別越高。

1．3夾雜物

金相檢驗還發(fā)現(xiàn)氧化物夾雜1．5～2．5級，硅酸鹽類夾雜0．5e級，偶見個別球形夾雜物。為進(jìn)一步分析夾雜物形貌及成分，在XL30型掃描電子顯微鏡下對不合格爐次的低溫沖擊試樣進(jìn)行斷口夾雜物分析。由于材料斷裂后，大部分夾雜物會在試樣制備等過程中脫落，因此當(dāng)在掃描電鏡下觀察時，只能觀察到殘留在斷口中的部分夾雜物。在試樣的準(zhǔn)解理區(qū)存在球形夾雜物，經(jīng)檢測該夾雜物主要為MnS，且含有Al、Ca、Mg、O等元素。在韌窩區(qū)觀察到的片狀夾雜物也為MnS，且含有Ca、Mg、Si、O等元素。

1．4氣體成分的檢測

為評價鋼中氧化物含量，將成品試樣加工成Φ5mm的圓棒，在TCH－600氧氮氫分析儀進(jìn)行了w（O）檢驗，其中1～3號試樣為低溫沖擊功檢驗不合格爐次，4～5號試樣為低溫沖擊功檢驗合格爐次。如表4所示，5組試樣中平均w（O）為46．19×10－6，最高達(dá)60．36×10－6，所對應(yīng)的－5℃縱向沖擊功數(shù)值最低。從整體w（O）與沖擊功關(guān)系可看出，隨著w（O）的增加，－5℃縱向沖擊功呈下降趨勢。氧在鋼材中大部分以氧化物形式存在，例如硅酸鹽等，夾雜物對鋼材性能的影響與其形貌、大小及分布均勻性有關(guān)，這些非金屬夾雜物會降低鋼的塑性、韌性和疲勞性能。在金相顯微鏡下對樣品進(jìn)行夾雜物分析時，不合格爐次中1個樣品發(fā)現(xiàn)明顯的B類氧化物夾雜，級別為2．5級，1個樣品發(fā)現(xiàn)少量細(xì)長的C類硅酸鹽夾雜，級別為2級，綜合夾雜級別為3．0～4．5級，但合格爐次樣品中發(fā)現(xiàn)了微量的氧化物和硅酸鹽夾雜，級別均小于1．5級，綜合評級1．5～3．0級。

綜上分析，該批產(chǎn)品不同爐次的碳、硅、錳、磷、硫以及釩等主要元素含量均滿足成分設(shè)計要求；金相組織為鐵素體加珠光體，但存在魏氏組織；w（O）較高，平均達(dá)46．19×10－6；金相檢驗發(fā)現(xiàn)氧化物夾雜1．5～2．5級，硅酸鹽類夾雜0．5e級，偶見個別球形夾雜物，可見異常組織及夾雜物是引起該批產(chǎn)品質(zhì)量波動的主要原因。

二、工藝改進(jìn)及效果

通過不同爐次產(chǎn)品的分析，發(fā)現(xiàn)存在以下問題：產(chǎn)品的強(qiáng)度普遍偏高，但低溫韌性存在波動；夾雜物等級較高，w（O）偏高；金相組織不均勻且存在魏氏組織等。對此，采取以下優(yōu)化措施。1）優(yōu)化鋼種成分，實行窄成分控制。表5為優(yōu)化后的成分控制。將w（C）按中下限控制，將w（Mn）降低為1．10％～1．35％，w（V）按中下限控制，以適當(dāng)降低材質(zhì)的強(qiáng)度，改善韌性；通過降碳降錳，也可有效緩解鑄坯成分偏析。同時，控制w（S）和w（P）分別小于0．010％和0．015％。2）采用鋁錳鐵脫氧工藝，代替原有硅鈣鋇脫氧工藝，連鑄過程使用整體塞棒包全保護(hù)澆注工藝，從而有效降低鋼中夾雜物含量，提高鋼水純凈度。經(jīng)檢驗，采用鋁脫氧新工藝，在轉(zhuǎn)爐出鋼過程中加入鋁錳鐵，加入量為噸鋼1．5～2．0kg，鋼中w（O）降至20×10－6以下，脫氧效率提高50％。3）優(yōu)化鑄坯加熱制度，降低加熱爐均熱段溫度，合理調(diào)整加熱時間，不僅可以降低奧氏體晶粒粗化程度，還可降低終軋溫度，有助于提高晶粒細(xì)化效果。上述措施實施后，生產(chǎn)了1000t產(chǎn)品，一次性能檢驗合格率100％，其中屈服強(qiáng)度較原工藝小幅度下降，平均為461MPa，硬度下降至188HB，伸長率平均為22％，低溫沖擊值較原工藝大幅度提高，平均為61J。經(jīng)金相檢驗，產(chǎn)品實物魏氏組織基本消除，幾乎觀察不到針狀鐵素體及大塊狀珠光體，晶粒度7．5～8．0級。

三、結(jié)語

1）低碳釩微合金化型鋼的低溫韌性與鋼種成分、夾雜物、金相組織等諸多因素有關(guān)。2）針狀鐵素體加團(tuán)狀珠光體構(gòu)成的魏氏組是鋼的1種缺陷組織，出現(xiàn)粗大魏氏組織，會使成品性能降低，尤其對低溫沖擊韌性影響巨大。3）在現(xiàn)有條件下，降低加熱爐加熱溫度和終軋溫度，可降低奧氏體晶粒粗化程度，達(dá)到緩解魏氏組織的效果，進(jìn)而提高產(chǎn)品低溫沖擊韌性。4）通過成分優(yōu)化及工藝調(diào)整，產(chǎn)品實物具有較高的強(qiáng)度、較好的韌性及低溫沖擊韌性，實物屈服強(qiáng)度平均461MPa，抗拉強(qiáng)度平均602MPa，斷后伸長率平均22％，－5℃沖擊值平均61J，且波動較小，滿足了工程機(jī)械用型鋼對強(qiáng)度和低溫沖擊韌性的需求。

作者：趙新華 袁鵬舉 宋玉卿 紀(jì)進(jìn)立 方金林 孫曉慶 單位：山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司