工程机械用型钢冲击韧性的实践

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一、生产实践中存在问题

1．1低温冲击性能波动

该产品批量生产时，屡次出现低温冲击不合格问题，因此对合格产品及不合格产品进行对比分析。各项性能指标的对比，可见不合格炉次与合格炉次产品的强度、伸长率、硬度及180°弯曲试验均满足要求，但不合格炉次产品低温冲击功平均值很低，仅为15．1J，合格炉次产品低温冲击功平均值为45．24J。经对该批产品的化学成分检验，不合格炉次与合格炉次的实际化学成分均在控制范围内，满足设计要求。研究表明，材料的冲击性能与成分偏析、气体成分、组织均匀性、夹杂物含量及分布有关，为分析该批次产品性能不合格的原因，分别对两者进行了金相组织检验、夹杂物分析、气体分析等。

1．2金相组织

将试样经过质量浓度为3％的硝酸酒精腐蚀后，在DM13000M金相显微镜进行金相组织观察，经检验发现组织均为铁素体加珠光体。但不合格炉次的组织中带状组织3～4级，晶粒度为7．0～8．5级，金相组织中存在大量魏氏组织，魏氏组织甚至贯穿多个带状组织，这与加热过程中奥氏体粗化而引起的组织遗传有关，严重影响了组织的均匀性；魏氏组织周边为针状铁素体，与正常组织中的多边形铁素体相比，尺寸较大，组织心部为珠光体，尺寸达100μm。魏氏组织的形成与坯料加热温度、碳含量、奥氏体原始晶粒及冷却速度有关。研究表明，对于亚共析钢，当w（C）＝0．15％～0．35％，奥氏体晶粒粗大且冷却速度适中时，易形成魏氏组织，且奥氏体晶粒度越粗大（晶粒尺寸大于40μm），越容易形成魏氏组织。研究发现，当轧制温度相同时，轧前的奥氏体晶粒愈大，消除魏氏组织所必需的最低压下率就愈大；同样的压下率，奥氏体加热温度越高，轧前奥氏体的晶粒尺寸就越大，所得到的魏氏组织级别越高。

1．3夹杂物

金相检验还发现氧化物夹杂1．5～2．5级，硅酸盐类夹杂0．5e级，偶见个别球形夹杂物。为进一步分析夹杂物形貌及成分，在XL30型扫描电子显微镜下对不合格炉次的低温冲击试样进行断口夹杂物分析。由于材料断裂后，大部分夹杂物会在试样制备等过程中脱落，因此当在扫描电镜下观察时，只能观察到残留在断口中的部分夹杂物。在试样的准解理区存在球形夹杂物，经检测该夹杂物主要为MnS，且含有Al、Ca、Mg、O等元素。在韧窝区观察到的片状夹杂物也为MnS，且含有Ca、Mg、Si、O等元素。

1．4气体成分的检测

为评价钢中氧化物含量，将成品试样加工成Φ5mm的圆棒，在TCH－600氧氮氢分析仪进行了w（O）检验，其中1～3号试样为低温冲击功检验不合格炉次，4～5号试样为低温冲击功检验合格炉次。如表4所示，5组试样中平均w（O）为46．19×10－6，最高达60．36×10－6，所对应的－5℃纵向冲击功数值最低。从整体w（O）与冲击功关系可看出，随着w（O）的增加，－5℃纵向冲击功呈下降趋势。氧在钢材中大部分以氧化物形式存在，例如硅酸盐等，夹杂物对钢材性能的影响与其形貌、大小及分布均匀性有关，这些非金属夹杂物会降低钢的塑性、韧性和疲劳性能。在金相显微镜下对样品进行夹杂物分析时，不合格炉次中1个样品发现明显的B类氧化物夹杂，级别为2．5级，1个样品发现少量细长的C类硅酸盐夹杂，级别为2级，综合夹杂级别为3．0～4．5级，但合格炉次样品中发现了微量的氧化物和硅酸盐夹杂，级别均小于1．5级，综合评级1．5～3．0级。

综上分析，该批产品不同炉次的碳、硅、锰、磷、硫以及钒等主要元素含量均满足成分设计要求；金相组织为铁素体加珠光体，但存在魏氏组织；w（O）较高，平均达46．19×10－6；金相检验发现氧化物夹杂1．5～2．5级，硅酸盐类夹杂0．5e级，偶见个别球形夹杂物，可见异常组织及夹杂物是引起该批产品质量波动的主要原因。

二、工艺改进及效果

通过不同炉次产品的分析，发现存在以下问题：产品的强度普遍偏高，但低温韧性存在波动；夹杂物等级较高，w（O）偏高；金相组织不均匀且存在魏氏组织等。对此，采取以下优化措施。1）优化钢种成分，实行窄成分控制。表5为优化后的成分控制。将w（C）按中下限控制，将w（Mn）降低为1．10％～1．35％，w（V）按中下限控制，以适当降低材质的强度，改善韧性；通过降碳降锰，也可有效缓解铸坯成分偏析。同时，控制w（S）和w（P）分别小于0．010％和0．015％。2）采用铝锰铁脱氧工艺，代替原有硅钙钡脱氧工艺，连铸过程使用整体塞棒包全保护浇注工艺，从而有效降低钢中夹杂物含量，提高钢水纯净度。经检验，采用铝脱氧新工艺，在转炉出钢过程中加入铝锰铁，加入量为吨钢1．5～2．0kg，钢中w（O）降至20×10－6以下，脱氧效率提高50％。3）优化铸坯加热制度，降低加热炉均热段温度，合理调整加热时间，不仅可以降低奥氏体晶粒粗化程度，还可降低终轧温度，有助于提高晶粒细化效果。上述措施实施后，生产了1000t产品，一次性能检验合格率100％，其中屈服强度较原工艺小幅度下降，平均为461MPa，硬度下降至188HB，伸长率平均为22％，低温冲击值较原工艺大幅度提高，平均为61J。经金相检验，产品实物魏氏组织基本消除，几乎观察不到针状铁素体及大块状珠光体，晶粒度7．5～8．0级。

三、结语

1）低碳钒微合金化型钢的低温韧性与钢种成分、夹杂物、金相组织等诸多因素有关。2）针状铁素体加团状珠光体构成的魏氏组是钢的1种缺陷组织，出现粗大魏氏组织，会使成品性能降低，尤其对低温冲击韧性影响巨大。3）在现有条件下，降低加热炉加热温度和终轧温度，可降低奥氏体晶粒粗化程度，达到缓解魏氏组织的效果，进而提高产品低温冲击韧性。4）通过成分优化及工艺调整，产品实物具有较高的强度、较好的韧性及低温冲击韧性，实物屈服强度平均461MPa，抗拉强度平均602MPa，断后伸长率平均22％，－5℃冲击值平均61J，且波动较小，满足了工程机械用型钢对强度和低温冲击韧性的需求。

作者：赵新华 袁鹏举 宋玉卿 纪进立 方金林 孙晓庆 单位：山东钢铁股份有限公司莱芜分公司