LZ50鋼力學性能試驗研究

劉占東 馬忠存

(東特集團北滿特殊鋼有限責任公司，黑龍江161041)

LZ50鋼力學性能試驗研究

劉占東 馬忠存

(東特集團北滿特殊鋼有限責任公司，黑龍江161041)

通過對LZ50鋼的化學成分與力學性能進行分析，觀察金相組織，分析拉伸斷口，調查工藝執行情況，找出影響該鋼力學性能的主要因素，從而提高該鋼的綜合力學性能，生產出高質量的車輛車軸鋼。

LZ50鋼;力學性能;工藝

LZ50鋼為鐵路車輛車軸用鋼，執行的技術標準為TB/T2945—1999。該鋼的主要特點是力學性能抗拉強度高，塑性指標高，強度和韌性匹配較好。正是由于該鋼的強度和塑性指標高，故生產難度特別大。解決力學性能問題是該鋼的難點所在。為此對該鋼的化學成分與力學性能進行逐爐分析，觀察金相組織，分析拉伸斷口，調查工藝執行情況，找出影響因素，從而提高該鋼的綜合力學性能，以生產出高質量的車輛車軸鋼。

1 試驗結果

1.1 化學成分

由于LZ50鋼的力學性能抗拉強度指標較高，而塑性指標富余量較小，故在成分設計時，適當控制C、Si和Mn的含量?；瘜W成分及88爐熔煉成分統計結果列于表1中。

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

1.2 力學性能

力學性能試樣取自經過一次正火處理(正火溫度840℃，保溫3.5 h)的樣坯(140方)，72爐統計結果列于表2中。

1.3 高低倍和氣體含量

非金屬夾雜物、晶粒度統計54爐，低倍組織統計77爐，氫、氧含量統計225爐，結果列于表3中。

2 結果討論

2.1 化學成分對性能的影響

表2 LZ50鋼的力學性能統計結果Table 2 Statistical results ofmechanical properties of LZ50 steel

統計88爐LZ50鋼化學成分C、Si、Mn與力學性能Rel、Rm、Z、A，繪制矩陣圖，見圖1。

由圖1可知，在圖示化學成分范圍內，LZ50鋼的強度指標Rel、Rm全部合格，且相對標準而言富余量較大，不合格的指標主要是伸長率指標A及面縮率指標Z。因此設計成分時應重點考慮伸長率指標A及面縮率指標Z。

表3 LZ50鋼的非金屬夾雜物、晶粒度、低倍組織和氫、氧含量統計結果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鋼的力學性能初驗、復驗對比Table 4 Comparison between initial test and retest ofmechanical properties of LZ50 steel

由于Si對伸長率指標A及面縮率指標Z的影響方向相反，且影響較小，同時由于Si成分的精確控制相對較難，因此在制定內控標準時將Si下限提高0.03%，即由標準的0.17%提高到0.20%。同時Si含量高會提高鋼種硅酸鹽機雜物級別，再考慮車間控制操作難易程度的情況下，將LZ50鋼的Si的上限在標準值0.40%基礎上降低0.10%，即Si的內控范圍為0.20%～0.30%是比較合理的一種選擇。

由于Mn對伸長率指標A及面縮率指標Z的影響方向相同，隨著Mn的提高，塑性指標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的內控標準控制在0.65%～0.75%是比較合理的一種選擇。

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

因此，LZ50鋼內控標準中C的上限不應高于0.52%。同時考慮可操作性，LZ50鋼的C的下限應≥0.48%。

2.2 氫對性能的影響

鋼中的氫顯著降低鋼的塑性，故VD的真空度能否達到67 Pa并保持15 min特別關鍵。資料［1］介紹，氫在鋼中的有害作用表現在兩個方面:一是溶入鋼中使鋼的塑性和韌性降低，引起所謂氫脆;二是當氫從鋼中析出(變成分子態的氫)時造成內部裂紋性質的缺陷。白點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。裂紋源為結晶狀的小亮點或結晶狀顆粒，向外為纖維狀斷口或在裂紋擴展到一定尺寸后產生脆斷，產生“魚眼”斷口，導致塑性和強度指標大幅度降低［2］。產生上述斷口的原因是氫含量高。將拉伸試樣頭部進行低倍檢驗，發現白點缺陷，主要是因為冶煉抽真空失敗，軋后緩冷裝坑量不足，擴氫不好。

我們進行了性能初驗、復驗結果對比，結果列于表4中。統計復驗的17爐，有9爐合格，8爐不合格，復驗合格率52.94%。從表4可以看到，復驗樣的屈服強度Rel和抗拉強度Rm與初驗樣的結果相當，甚至略高，而塑性指標Z和A大幅度提高。從拉伸試樣斷口上看，在鋼坯上取樣復驗合格，其試樣斷口為纖維狀斷口。這是因為鋼坯緩冷時間符合工藝要求(56 h)，擴氫效果較試樣要好得多，故塑性大幅上升，這也進一步說明了氫的作用。

2.3 顯微組織對性能的影響

將拉伸試樣頭制成金相試樣，觀察金相組織，結果為珠光體(P)+鐵素體(F)，組織晶粒度平均為6.3級，部分有一定量較大的珠光體團。通過試驗發現，綜合力學性能較好的拉伸試樣的金相組織，除有少量較大珠光體團外，其余為較均勻的等軸組織，鐵素體析出長大較充分，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，有的鐵素體網較細，鐵素體析出不充分;有的珠光體和鐵素體呈非等軸的長條形式存在，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力學性能塑性指標的影響按斷口形貌分為以下兩種情況:

(1)拉伸試樣產生“亮點”“亮線”斷口，產生脆斷，見圖4［3］。原因是試樣碳含量高，或Si、Mn含量高，疏松嚴重，成分偏析，組織轉變時珠光體含量多，鐵素體含量少，鐵素體呈細網狀。

(2)拉伸試樣斷口組織粗糙，為粗纖維狀斷口。產生原因有以下兩個方面:一是試樣的晶粒粗大，顯微組織存在較大的珠光體團。試驗發現，當晶粒度低于6級時，塑性指標Z和A會明顯降低。解決辦法是保證［Al］的內控要求，軋制時保證大壓下量，控制終軋溫度低于950℃。二是試樣的顯微組織不規則、有方向性。原因是原始組織有一定的過熱傾向。調查均熱爐加熱情況，發現有的爐號加熱時間較長，如有的爐號總加熱時間為12 h，在高溫區1 200～1 300℃停留達8 h。而其它爐號絕大部分加熱總時間在2 h～4 h，在1 300℃均熱1 h～2 h，符合工藝要求。

所以應對加熱時間進行控制，對于熱裝的總時間不能大于5 h，在高溫區停留時間不能大于2.5 h，超時應降溫。

3 結論

(1)LZ50鋼存在碳偏析，正火后顯微組織珠光體含量大，鐵素體呈細網，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氫效果不好，致使拉伸試樣因氫的作用導致脆斷。

(3)軋后組織破碎不好，存在粗大珠光體團，終軋溫度高，晶粒粗大。

(4)軋制加熱溫度高，時間長，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:第二版.北京:冶金工業出版，2004，280.

［2］ 趙堅，趙琳.優質鋼缺陷.北京:冶金工業出版，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。