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一、生產(chǎn)實(shí)踐中存在問題
1.1低溫沖擊性能波動(dòng)
該產(chǎn)品批量生產(chǎn)時(shí),屢次出現(xiàn)低溫沖擊不合格問題,因此對(duì)合格產(chǎn)品及不合格產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比分析。各項(xiàng)性能指標(biāo)的對(duì)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(yàn)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(duì)該批產(chǎn)品的化學(xué)成分檢驗(yàn),不合格爐次與合格爐次的實(shí)際化學(xué)成分均在控制范圍內(nèi),滿足設(shè)計(jì)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(duì)兩者進(jìn)行了金相組織檢驗(yàn)、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(yàn)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(jí),晶粒度為7.0~8.5級(jí),金相組織中存在大量魏氏組織,魏氏組織甚至貫穿多個(gè)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(duì)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(shí),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(shí),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(jí)別越高。
1.3夾雜物
金相檢驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)氧化物夾雜1.5~2.5級(jí),硅酸鹽類夾雜0.5e級(jí),偶見個(gè)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(duì)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(huì)在試樣制備等過程中脫落,因此當(dāng)在掃描電鏡下觀察時(shí),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?yuàn)A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(píng)價(jià)鋼中氧化物含量,將成品試樣加工成Φ5mm的圓棒,在TCH-600氧氮?dú)浞治鰞x進(jìn)行了w(O)檢驗(yàn),其中1~3號(hào)試樣為低溫沖擊功檢驗(yàn)不合格爐次,4~5號(hào)試樣為低溫沖擊功檢驗(yàn)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(duì)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(shì)。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(duì)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(huì)降低鋼的塑性、韌性和疲勞性能。在金相顯微鏡下對(duì)樣品進(jìn)行夾雜物分析時(shí),不合格爐次中1個(gè)樣品發(fā)現(xiàn)明顯的B類氧化物夾雜,級(jí)別為2.5級(jí),1個(gè)樣品發(fā)現(xiàn)少量細(xì)長的C類硅酸鹽夾雜,級(jí)別為2級(jí),綜合夾雜級(jí)別為3.0~4.5級(jí),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(jí)別均小于1.5級(jí),綜合評(píng)級(jí)1.5~3.0級(jí)。
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(jì)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(yàn)發(fā)現(xiàn)氧化物夾雜1.5~2.5級(jí),硅酸鹽類夾雜0.5e級(jí),偶見個(gè)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(dòng)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(dòng);夾雜物等級(jí)較高,w(O)偏高;金相組織不均勻且存在魏氏組織等。對(duì)此,采取以下優(yōu)化措施。1)優(yōu)化鋼種成分,實(shí)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(shí),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(yàn),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(shí)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(shí)施后,生產(chǎn)了1000t產(chǎn)品,一次性能檢驗(yàn)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(yàn),產(chǎn)品實(shí)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(jí)。
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(huì)使成品性能降低,尤其對(duì)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(shí)物具有較高的強(qiáng)度、較好的韌性及低溫沖擊韌性,實(shí)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(dòng)較小,滿足了工程機(jī)械用型鋼對(duì)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