工程機械用型鋼沖擊韌性的實踐

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一、生產實踐中存在問題

1．1低溫沖擊性能波動

該產品批量生產時，屢次出現低溫沖擊不合格問題，因此對合格產品及不合格產品進行對比分析。各項性能指標的對比，可見不合格爐次與合格爐次產品的強度、伸長率、硬度及180°彎曲試驗均滿足要求，但不合格爐次產品低溫沖擊功平均值很低，僅為15．1J，合格爐次產品低溫沖擊功平均值為45．24J。經對該批產品的化學成分檢驗，不合格爐次與合格爐次的實際化學成分均在控制范圍內，滿足設計要求。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，為分析該批次產品性能不合格的原因，分別對兩者進行了金相組織檢驗、夾雜物分析、氣體分析等。

1．2金相組織

將試樣經過質量濃度為3％的硝酸酒精腐蝕后，在DM13000M金相顯微鏡進行金相組織觀察，經檢驗發現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，嚴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。研究表明，對于亞共析鋼，當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。研究發現，當軋制溫度相同時，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

金相檢驗還發現氧化物夾雜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。在試樣的準解理區存在球形夾雜物，經檢測該夾雜物主要為MnS，且含有Al、Ca、Mg、O等元素。在韌窩區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60．36×10－6，所對應的－5℃縱向沖擊功數值最低。從整體w（O）與沖擊功關系可看出，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，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行夾雜物分析時，不合格爐次中1個樣品發現明顯的B類氧化物夾雜，級別為2．5級，1個樣品發現少量細長的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現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46．19×10－6；金相檢驗發現氧化物夾雜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品質量波動的主要原因。

二、工藝改進及效果

通過不同爐次產品的分析，發現存在以下問題：產品的強度普遍偏高，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，采取以下優化措施。1）優化鋼種成分，實行窄成分控制。表5為優化后的成分控制。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，以適當降低材質的強度，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。經檢驗，采用鋁脫氧新工藝，在轉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）優化鑄坯加熱制度，降低加熱爐均熱段溫度，合理調整加熱時間，不僅可以降低奧氏體晶粒粗化程度，還可降低終軋溫度，有助于提高晶粒細化效果。上述措施實施后，生產了1000t產品，一次性能檢驗合格率100％，其中屈服強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。經金相檢驗，產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。2）針狀鐵素體加團狀珠光體構成的魏氏組是鋼的1種缺陷組織，出現粗大魏氏組織，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，達到緩解魏氏組織的效果，進而提高產品低溫沖擊韌性。4）通過成分優化及工藝調整，產品實物具有較高的強度、較好的韌性及低溫沖擊韌性，實物屈服強度平均461MPa，抗拉強度平均602MPa，斷后伸長率平均22％，－5℃沖擊值平均61J，且波動較小，滿足了工程機械用型鋼對強度和低溫沖擊韌性的需求。

作者：趙新華 袁鵬舉 宋玉卿 紀進立 方金林 孫曉慶 單位：山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司