LZ50鋼力學(xué)性能試驗(yàn)研究

劉占東 馬忠存

(東特集團(tuán)北滿特殊鋼有限責(zé)任公司，黑龍江161041)

LZ50鋼力學(xué)性能試驗(yàn)研究

劉占東 馬忠存

(東特集團(tuán)北滿特殊鋼有限責(zé)任公司，黑龍江161041)

通過對(duì)LZ50鋼的化學(xué)成分與力學(xué)性能進(jìn)行分析，觀察金相組織，分析拉伸斷口，調(diào)查工藝執(zhí)行情況，找出影響該鋼力學(xué)性能的主要因素，從而提高該鋼的綜合力學(xué)性能，生產(chǎn)出高質(zhì)量的車輛車軸鋼。

LZ50鋼;力學(xué)性能;工藝

LZ50鋼為鐵路車輛車軸用鋼，執(zhí)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為TB/T2945—1999。該鋼的主要特點(diǎn)是力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度高，塑性指標(biāo)高，強(qiáng)度和韌性匹配較好。正是由于該鋼的強(qiáng)度和塑性指標(biāo)高，故生產(chǎn)難度特別大。解決力學(xué)性能問題是該鋼的難點(diǎn)所在。為此對(duì)該鋼的化學(xué)成分與力學(xué)性能進(jìn)行逐爐分析，觀察金相組織，分析拉伸斷口，調(diào)查工藝執(zhí)行情況，找出影響因素，從而提高該鋼的綜合力學(xué)性能，以生產(chǎn)出高質(zhì)量的車輛車軸鋼。

1 試驗(yàn)結(jié)果

1.1 化學(xué)成分

由于LZ50鋼的力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度指標(biāo)較高，而塑性指標(biāo)富余量較小，故在成分設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)控制C、Si和Mn的含量。化學(xué)成分及88爐熔煉成分統(tǒng)計(jì)結(jié)果列于表1中。

表1 LZ50鋼的化學(xué)成份(化學(xué)成分，%)Table 1 Chem ical composition of LZ50 steel(mass fraction，%)

1.2 力學(xué)性能

力學(xué)性能試樣取自經(jīng)過一次正火處理(正火溫度840℃，保溫3.5 h)的樣坯(140方)，72爐統(tǒng)計(jì)結(jié)果列于表2中。

1.3 高低倍和氣體含量

非金屬夾雜物、晶粒度統(tǒng)計(jì)54爐，低倍組織統(tǒng)計(jì)77爐，氫、氧含量統(tǒng)計(jì)225爐，結(jié)果列于表3中。

2 結(jié)果討論

2.1 化學(xué)成分對(duì)性能的影響

表2 LZ50鋼的力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical results ofmechanical properties of LZ50 steel

統(tǒng)計(jì)88爐LZ50鋼化學(xué)成分C、Si、Mn與力學(xué)性能Rel、Rm、Z、A，繪制矩陣圖，見圖1。

由圖1可知，在圖示化學(xué)成分范圍內(nèi)，LZ50鋼的強(qiáng)度指標(biāo)Rel、Rm全部合格，且相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)而言富余量較大，不合格的指標(biāo)主要是伸長(zhǎng)率指標(biāo)A及面縮率指標(biāo)Z。因此設(shè)計(jì)成分時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮伸長(zhǎng)率指標(biāo)A及面縮率指標(biāo)Z。

表3 LZ50鋼的非金屬夾雜物、晶粒度、低倍組織和氫、氧含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Statistical results of non-metallic inclusion，grain size，macroscopic structure，and hydrogen＆oxygen contents of LZ50 steel

圖1 LZ50鋼性能指標(biāo)與C、Si、Mn矩陣圖Figure 1 Matrix chart ofmechanical properties index and C＆Si＆Mn content of LZ50 steel

表4 LZ50鋼的力學(xué)性能初驗(yàn)、復(fù)驗(yàn)對(duì)比Table 4 Comparison between initial test and retest ofmechanical properties of LZ50 steel

由于Si對(duì)伸長(zhǎng)率指標(biāo)A及面縮率指標(biāo)Z的影響方向相反，且影響較小，同時(shí)由于Si成分的精確控制相對(duì)較難，因此在制定內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)時(shí)將Si下限提高0.03%，即由標(biāo)準(zhǔn)的0.17%提高到0.20%。同時(shí)Si含量高會(huì)提高鋼種硅酸鹽機(jī)雜物級(jí)別，再考慮車間控制操作難易程度的情況下，將LZ50鋼的Si的上限在標(biāo)準(zhǔn)值0.40%基礎(chǔ)上降低0.10%，即Si的內(nèi)控范圍為0.20%～0.30%是比較合理的一種選擇。

由于Mn對(duì)伸長(zhǎng)率指標(biāo)A及面縮率指標(biāo)Z的影響方向相同，隨著Mn的提高，塑性指標(biāo)Z、A降低。在考慮成本因素及車間控制操作難易程度的情況下，將 LZ50鋼的 Mn的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)控制在0.65%～0.75%是比較合理的一種選擇。

C含量的控制十分關(guān)鍵，隨著C含量的提高，在強(qiáng)度指標(biāo)Rel、Rm提高的同時(shí)，塑性指標(biāo)Z、A迅速降低。而且在C、Si、Mn三個(gè)主要元素中，C對(duì)Z、A的影響是最大的。當(dāng)C含量＜0.53%時(shí)，Z、A基本合格。當(dāng)C含量≥0.53%時(shí)，Z、A合格率較低。

因此，LZ50鋼內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)中C的上限不應(yīng)高于0.52%。同時(shí)考慮可操作性，LZ50鋼的C的下限應(yīng)≥0.48%。

2.2 氫對(duì)性能的影響

鋼中的氫顯著降低鋼的塑性，故VD的真空度能否達(dá)到67 Pa并保持15 min特別關(guān)鍵。資料［1］介紹，氫在鋼中的有害作用表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是溶入鋼中使鋼的塑性和韌性降低，引起所謂氫脆;二是當(dāng)氫從鋼中析出(變成分子態(tài)的氫)時(shí)造成內(nèi)部裂紋性質(zhì)的缺陷。白點(diǎn)是這類缺陷中最突出的一種。

觀察LZ50鋼脆性斷裂的拉伸試樣的斷口形貌，見圖2。裂紋源為結(jié)晶狀的小亮點(diǎn)或結(jié)晶狀顆粒，向外為纖維狀斷口或在裂紋擴(kuò)展到一定尺寸后產(chǎn)生脆斷，產(chǎn)生“魚眼”斷口，導(dǎo)致塑性和強(qiáng)度指標(biāo)大幅度降低［2］。產(chǎn)生上述斷口的原因是氫含量高。將拉伸試樣頭部進(jìn)行低倍檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)白點(diǎn)缺陷，主要是因?yàn)橐睙挸檎婵帐?，軋后緩冷裝坑量不足，擴(kuò)氫不好。

我們進(jìn)行了性能初驗(yàn)、復(fù)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，結(jié)果列于表4中。統(tǒng)計(jì)復(fù)驗(yàn)的17爐，有9爐合格，8爐不合格，復(fù)驗(yàn)合格率52.94%。從表4可以看到，復(fù)驗(yàn)樣的屈服強(qiáng)度Rel和抗拉強(qiáng)度Rm與初驗(yàn)樣的結(jié)果相當(dāng)，甚至略高，而塑性指標(biāo)Z和A大幅度提高。從拉伸試樣斷口上看，在鋼坯上取樣復(fù)驗(yàn)合格，其試樣斷口為纖維狀斷口。這是因?yàn)殇撆骶徖鋾r(shí)間符合工藝要求(56 h)，擴(kuò)氫效果較試樣要好得多，故塑性大幅上升，這也進(jìn)一步說明了氫的作用。

2.3 顯微組織對(duì)性能的影響

將拉伸試樣頭制成金相試樣，觀察金相組織，結(jié)果為珠光體(P)+鐵素體(F)，組織晶粒度平均為6.3級(jí)，部分有一定量較大的珠光體團(tuán)。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，綜合力學(xué)性能較好的拉伸試樣的金相組織，除有少量較大珠光體團(tuán)外，其余為較均勻的等軸組織，鐵素體析出長(zhǎng)大較充分，呈塊狀，見圖3(a)。

圖2 拉伸試樣的魚眼斷口Figure 2 "Fish eye"fracture of tensile sample

圖3 拉伸試樣的顯微組織(100×)Figure 3 Microstructure of tensile sample(100×)

圖4 拉伸試樣的亮點(diǎn)斷口Figure 4 Bright spot fracture of tensile sample

而性能不合格的試樣的顯微組織中:珠光體含量大，有的鐵素體網(wǎng)較細(xì)，鐵素體析出不充分;有的珠光體和鐵素體呈非等軸的長(zhǎng)條形式存在，有方向性，局部有針狀鐵素體，見圖3(b)。

上述不良顯微組織對(duì)力學(xué)性能塑性指標(biāo)的影響按斷口形貌分為以下兩種情況:

(1)拉伸試樣產(chǎn)生“亮點(diǎn)”“亮線”斷口，產(chǎn)生脆斷，見圖4［3］。原因是試樣碳含量高，或Si、Mn含量高，疏松嚴(yán)重，成分偏析，組織轉(zhuǎn)變時(shí)珠光體含量多，鐵素體含量少，鐵素體呈細(xì)網(wǎng)狀。

(2)拉伸試樣斷口組織粗糙，為粗纖維狀斷口。產(chǎn)生原因有以下兩個(gè)方面:一是試樣的晶粒粗大，顯微組織存在較大的珠光體團(tuán)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)晶粒度低于6級(jí)時(shí)，塑性指標(biāo)Z和A會(huì)明顯降低。解決辦法是保證［Al］的內(nèi)控要求，軋制時(shí)保證大壓下量，控制終軋溫度低于950℃。二是試樣的顯微組織不規(guī)則、有方向性。原因是原始組織有一定的過熱傾向。調(diào)查均熱爐加熱情況，發(fā)現(xiàn)有的爐號(hào)加熱時(shí)間較長(zhǎng)，如有的爐號(hào)總加熱時(shí)間為12 h，在高溫區(qū)1 200～1 300℃停留達(dá)8 h。而其它爐號(hào)絕大部分加熱總時(shí)間在2 h～4 h，在1 300℃均熱1 h～2 h，符合工藝要求。

所以應(yīng)對(duì)加熱時(shí)間進(jìn)行控制，對(duì)于熱裝的總時(shí)間不能大于5 h，在高溫區(qū)停留時(shí)間不能大于2.5 h，超時(shí)應(yīng)降溫。

3 結(jié)論

(1)LZ50鋼存在碳偏析，正火后顯微組織珠光體含量大，鐵素體呈細(xì)網(wǎng)，析出不充分。

(2)冶煉抽真空效果不好，造成鋼中氫含量高，且軋制后試樣緩冷擴(kuò)氫效果不好，致使拉伸試樣因氫的作用導(dǎo)致脆斷。

(3)軋后組織破碎不好，存在粗大珠光體團(tuán)，終軋溫度高，晶粒粗大。

(4)軋制加熱溫度高，時(shí)間長(zhǎng)，存在過熱傾向，正火后顯微組織存在一定量的非等軸組織。

［1］ 宋維錫.金屬學(xué):第二版.北京:冶金工業(yè)出版，2004，280.

［2］ 趙堅(jiān)，趙琳.優(yōu)質(zhì)鋼缺陷.北京:冶金工業(yè)出版，1991，212.

［3］ 趙琳.合金鋼缺陷的斷口分析.湖北:大冶鋼廠鋼研所，1984，1.

編輯 杜青泉

Research on Mechanical Property of LZ50 Steel

Liu Zhandong，M ao zhongcun

Through analyzing the chemical composition and mechanical property of LZ50 steel，observing themetallographic structure，analyzing the tensile fracture，and investigating the actual implementation of the process，themajor factorswhich affect themechanical properties of LZ50 steel are figured out，and its comprehensivemechanical properties are improved，so that high-quality steel for the vehicle axle can be produced.

LZ50 steel;mechanical property;research

TG113.25

A

2013—05—08

劉占東(1974—)，男，從事金屬材料壓力加工工作。