分享：鋼鍛制棒材探傷不合的原因分析和工藝改進(jìn)

1.4112鋼中含較高C、Cr，所以具有較高的淬透性和很好的耐磨性[1]，因而被廣泛地應(yīng)用于惡劣環(huán)境中。由于含碳量高，韌性較低，易脆性斷裂[2]。在我國(guó)，該鋼曾作為航天航空尖端材料進(jìn)行研制。近年來，隨著該鋼種在不銹、軸承、刀具行業(yè)的推廣應(yīng)用[3]，國(guó)內(nèi)的特鋼企業(yè)進(jìn)行過少量生產(chǎn)，多用于制造受沖擊負(fù)荷較小的零件或工具[4]。由于1.4112鋼屬高碳馬氏體型不銹鋼，與中低碳馬氏體不銹鋼相比，塑性較差，可鍛溫度區(qū)間較窄[5]，且生產(chǎn)時(shí)極易出現(xiàn)碳化物開裂，使鋼材不得不判廢或改鍛。2017年改變加熱介質(zhì)以來，探傷合格率一直處于波動(dòng)的狀態(tài)，比之前有較大的下滑。近期一度降到47%且發(fā)現(xiàn)有肉眼可見的孔洞，嚴(yán)重影響了公司的合同交付率。因此，提高探傷合格率成為本文的主要研究方向。

1.   生產(chǎn)工藝流程和設(shè)備參數(shù)

1.1   生產(chǎn)工藝流程

根據(jù)成材規(guī)格，制定1.4112鋼生產(chǎn)工藝流程：

（1）冶煉→模鑄→1000 t精鍛成材（簡(jiǎn)稱1000直材）或1800 t快鍛+1000 t精鍛成材（簡(jiǎn)稱1800+1000聯(lián)合材），生產(chǎn)≤?120 mm削皮材。

（2）冶煉→模鑄→1800 t精鍛成材（簡(jiǎn)稱1800直材），生產(chǎn)直徑121～150 mm削皮材。

（3）冶煉→模鑄→3150 t快鍛＋1800 t精鍛成材（簡(jiǎn)稱3150+1800聯(lián)合材）或1800 t精鍛+3150 t快鍛+1800 t精鍛（簡(jiǎn)稱1800+3150+1800聯(lián)合材），生產(chǎn)直徑151～300 mm削皮材。

（4）冶煉→模鑄→3150 t快鍛（簡(jiǎn)稱3150直材），生產(chǎn)≥?301 mm削皮材。

1.2   設(shè)備參數(shù)

第二煉鋼廠：主要設(shè)備有1座30 t非真空感應(yīng)爐和1座30 t普通功率電弧爐、2座30 t LF爐、1座30 t VOD/VHD爐、1座30 t VD爐和5條臺(tái)車式地坑澆鑄線。根據(jù)鍛造廠提錠要求，初煉鋼水經(jīng)過LF精煉爐、VD爐脫氣后，可澆注成0.71、1.2、2.1 t或2.8、4、5 t或5.2、9 t或10~13 t可調(diào)錠型。

鍛造廠：分為老線和新線。老線主要設(shè)備有1000 t精鍛機(jī)、2000 t快鍛機(jī)、3500 t快鍛機(jī)。新線于2010年建立，主要設(shè)備有1800 t精鍛機(jī)、3150 t快精鍛機(jī)。加熱設(shè)備有環(huán)型加熱爐和室式加熱爐，加熱介質(zhì)于2017年10月由水煤氣改成天然氣。

運(yùn)輸方式：帶保溫罩的汽車。

1.3   鋼種的化學(xué)成分

1.4112鋼種相當(dāng)于國(guó)內(nèi)9Cr18MoV鋼種，可用于制造不銹鋼切片、機(jī)械刃具以及剪切工具等材料。為了提高切削性能，多數(shù)用戶要求鋼中的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)按0.015%～0.030%控制?；瘜W(xué)成分見表1。

2.   產(chǎn)品缺陷與質(zhì)量檢驗(yàn)

2.1   產(chǎn)品質(zhì)量缺陷

新線發(fā)生的質(zhì)量問題，主要有兩種：

一種為鋼錠掉尾，是指鋼錠在鍛造過程中，錠尾部分橫向開裂而掉落，俗稱掉尾，見圖1。

圖  1  鍛造初期發(fā)生掉尾問題

一種為成品材探傷不合，傷波多數(shù)在20 dB以下，甚至底波消失，即傷波≥底波（F≥B）。在成品材部分?jǐn)嗝娴闹行膮^(qū)域，有肉眼可見的孔洞，見圖2。

圖  2  成品材端面的中心有肉眼可見的孔洞

2.2   低倍檢驗(yàn)

取探傷不合材的低倍片做檢驗(yàn)，見圖3。低倍定性為中心孔洞。從低倍片可見，隨著傷波的加重，低倍片上的中心缺陷越來越嚴(yán)重。圖3（a）試片有肉眼可見較小的孔洞；圖3（b）和（c）試片中心區(qū)域有非常明顯的孔洞，與圖2的缺陷一致。

圖  3  不同傷波定性片低倍圖：（a）14 dB； （b）F=B試片1； （c）F=B試片2

2.3   高倍檢驗(yàn)

切取探傷不合料的低倍試片（圖4），將缺陷部分制成小試樣進(jìn)行高倍分析。圖4（a）為傷波較輕的試片，橫向切取，中心區(qū)域存在小孔洞；圖4（b）為傷波較重的試片，縱向切取。在高倍下可觀察到孔洞，孔洞附近均有碳化物存在，其中網(wǎng)狀碳化物沿著碳化物發(fā)生開裂。

圖  4  不同傷波定性片高倍圖：（a）14 dB；（b）F=B

3.   分析與討論

3.1   鍛造過程中掉尾問題的分析

2015年在采用大錠型生產(chǎn)時(shí)，尾部脫落的比例占65.7%，影響了綜合成材率[6]。

鋼錠尾部異常脫落，主要是鋼錠尾部產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，由內(nèi)向外開裂。分析內(nèi)部應(yīng)力產(chǎn)生的原因是鋼錠脫模時(shí)間過晚，脫模后鋼錠尾部溫度較低。當(dāng)中心部位溫度冷卻到相變溫度點(diǎn)（Ar1）以下時(shí)，如果繼續(xù)冷卻而且冷卻速度太大時(shí)，就會(huì)在鋼錠的中心部位產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致尾部脫落[6]。

通過進(jìn)一步數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和研究分析，認(rèn)為造成掉尾的第二個(gè)原因是加熱爐待料溫度低。由于此鋼種為高碳馬氏體鋼，脫模時(shí)已獲得了馬氏體組織。由于鋼錠預(yù)熱不夠，高溫鋼錠入加熱爐后，由于爐溫待料溫度低，并沒有對(duì)鋼錠起到保溫或升溫的作用，反而使鋼錠中心部溫度進(jìn)一步下降，加大了心部的應(yīng)力。第三個(gè)原因是鋼錠均溫后，在低溫段升溫過程中，鋼錠升溫速度過快，由于此鋼導(dǎo)熱性不好，內(nèi)外部應(yīng)力進(jìn)一步加大，形成更大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，導(dǎo)致內(nèi)部橫向開裂。鍛造初期，在外力的作用下，鋼錠或鋼坯經(jīng)加工變形后變成通到表面的裂口，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生了掉尾問題，見圖1。

3.2   探傷不合問題的分析

針對(duì)探傷不合，結(jié)合錠型、工藝路線，按成品材支數(shù)統(tǒng)計(jì)探傷合格率。老線采用0.71 t錠型和新線采用9.0 t錠型所生產(chǎn)的成品材，探傷合格率非常好；而新線采用1.2、2.1和5.2 t錠型所生產(chǎn)的成品材探傷合格率不好，尤其前兩個(gè)錠型，探傷合格率更低，見表2。

因此，為查清影響探傷合格率的真正原因，結(jié)合高、低倍檢驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)收集現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)記錄、影像等信息與品種工藝規(guī)程進(jìn)行技術(shù)分析。通過比對(duì)，本次研究樣本的高、低倍缺陷與以往探傷不合的缺陷相同，見圖3、圖4。

進(jìn)一步調(diào)查、分析，具有這樣的規(guī)律：

（1）鋼錠保溫時(shí)間過長(zhǎng)。受生產(chǎn)組織、設(shè)備故障等因素影響，鋼錠保溫時(shí)間較工藝要求長(zhǎng)。

（2）現(xiàn)場(chǎng)人員在保溫時(shí)間的理解上存在差異。有人員認(rèn)為，在鋼錠出環(huán)形爐第三段進(jìn)入第四段（保溫段）時(shí)，開始保溫時(shí)間的計(jì)時(shí)，而不是按爐溫達(dá)到規(guī)程要求時(shí)開始計(jì)時(shí)。

（3）中間坯再燒時(shí)間過長(zhǎng)。超規(guī)程要求時(shí)間。

（4）保溫符合規(guī)程要求，但仍發(fā)生探傷不合的情況。整爐的均溫和保溫時(shí)間完全符合工藝規(guī)程的要求。當(dāng)具備出爐生產(chǎn)條件時(shí)，先出爐的前半爐鋼錠所產(chǎn)的材探傷全合格。但是由于小鋼錠多，鍛造時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致后出爐的鋼錠因在高溫段滯留時(shí)間過長(zhǎng)，所產(chǎn)材探傷合格率大幅降低。

（5）因設(shè)備故障，為保障生產(chǎn)的連續(xù)性，現(xiàn)場(chǎng)操作者通常按規(guī)程要求的下限溫度加熱保溫。但是，由于故障解除具體時(shí)間無法確定，為提高生產(chǎn)效率，操作者又未按要求進(jìn)行降溫處理，人為導(dǎo)致了保溫時(shí)間過長(zhǎng)。

（6）鋼錠裝車、紅送、裝爐過程中存在意外故障，導(dǎo)致鋼錠入爐溫度低而發(fā)生掉尾問題。在鍛造過程中，掉尾端的斷面裂紋向內(nèi)部延伸，導(dǎo)致探傷不合。

（7）加熱介質(zhì)由水煤汽改為天然氣后，探傷不合的發(fā)生率比以前高。

3.3   其它因素的影響

為提高切削性能，要求鋼中的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)按0.015%～0.030%控制。結(jié)合探傷情況來看，與錳硫比無明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系，分別對(duì)比試驗(yàn)0.30% Mn和0.60% Mn，均有探傷不合的發(fā)生，發(fā)生不合的，均滿足上文所述的共性問題。但為保證鋼水脫氧、材料性能，錳含量也不適宜過低。

除錠型大小的差異、鋼錠的保溫時(shí)間、成材規(guī)格有所不同外，其它的工藝參數(shù)，如化學(xué)成分控制、鋼錠加熱出爐溫度、中間坯的再燒溫度、道次變形量在爐次間和各生產(chǎn)批次間的相差并不大。

通過上述討論與分析，為解決探傷不合，調(diào)整方向應(yīng)是鋼錠保溫時(shí)間及中間坯的再燒時(shí)間。

4.   工藝改進(jìn)措施

由于加熱介質(zhì)的改變，天然氣的熱值比水煤汽的熱值高，升溫速度也比水煤氣的升溫速度快。如果仍按原來的工藝進(jìn)行加熱，對(duì)于易產(chǎn)生過熱、導(dǎo)熱性差、易形成穿孔的品種，不可避免地發(fā)生探傷不合。

通過上述分析與討論，在采用新加熱介質(zhì)后，優(yōu)化新線的生產(chǎn)工藝：

（1）為避免掉尾，繼續(xù)采用高溫紅送，開辟綠色通道，首先保證此品種入爐，待料溫度由原來的550～600 °C提高到650～700 °C。

（2）如果紅送過程中發(fā)生意外，導(dǎo)致鋼錠入爐溫度低于常規(guī)溫度，應(yīng)調(diào)整加熱爐待料溫度（T1），使之與錠尾平均溫度（T2）滿足：T1=T2+（150±10） °C且待料溫度不得超過700 °C。

（3）入爐均溫后，低溫段的升溫速度控制≤50 °C/h。

（4）鋼錠加熱工藝的優(yōu)化：保溫溫度1140～1160 °C，保溫時(shí)間按4~8 h。

（5）中間坯加熱工藝的優(yōu)化：再燒溫度1140～1160 °C，再燒時(shí)間依坯型按1.5~3 h控制。

（6）對(duì)于生產(chǎn)組織的要求：因設(shè)備故障或其他原因熱停工不能按時(shí)出爐，調(diào)整為按下限保溫。當(dāng)總保溫時(shí)間達(dá)到上限時(shí)，仍無法出爐生產(chǎn)時(shí)，降溫到800~1000 °C；具備生產(chǎn)條件時(shí)升溫且升溫速度不限，料溫達(dá)到工藝要求的保溫溫度后，保溫時(shí)間按原工藝進(jìn)行生產(chǎn)。降溫到800~1000 °C且待料8 h仍無法生產(chǎn)時(shí)，按相關(guān)管理規(guī)定。

5.   效果驗(yàn)證

按上述優(yōu)化方案，采用合適的錠型以保證加工比，共冶煉5爐鋼。生產(chǎn)過程，加強(qiáng)紅送的緊湊性。鍛造過程中未發(fā)生掉尾問題，共生產(chǎn)125支材，探傷全都合格。自2017年10月以來，新線首次實(shí)現(xiàn)批次探傷合格率100%，見表3。

6.   結(jié)論

（1）加熱介質(zhì)的改變，對(duì)于高碳高合金比的特殊品種，應(yīng)調(diào)整紅送和加熱工藝，避免發(fā)生掉尾、過熱孔洞、探傷不合等缺陷。

（2）該鋼種含較高Cr且含有Mo、V，均為易形成碳化物的元素。為避免過熱孔洞的發(fā)生，除降低加熱溫度，還需關(guān)注保溫時(shí)間，尤其在加熱介質(zhì)或爐窯發(fā)生改變后。

（3）該鋼種含較高C、Cr且含有Mo、V，增加了鋼錠的內(nèi)應(yīng)力。為避免因應(yīng)力掉尾，應(yīng)保證高溫紅送，且入爐待料溫度控制在650～700 °C。

（4）此鋼種為高碳高合金鋼，為保證凝固質(zhì)量，應(yīng)嚴(yán)格控制澆注溫度，并采用熱周轉(zhuǎn)包冶煉，防止因高溫澆注產(chǎn)生錠偏、中心疏松等質(zhì)量缺陷。

（5）質(zhì)量是生產(chǎn)出來的。對(duì)于易發(fā)生探傷不合的品種，除了從專業(yè)角度科學(xué)分析、從工藝策劃上加強(qiáng)技術(shù)保障外，在生產(chǎn)組織上，必須嚴(yán)肅地按工藝規(guī)程執(zhí)行，并準(zhǔn)確理解保溫時(shí)間的概念。

（6）對(duì)于此鋼種來說，錳含量并非引起探傷不合的影響因素，為節(jié)省成本，降低錳含量或低錳硫比是可行的。

（7）此鋼種不適宜變冷錠。采用冷錠生產(chǎn)時(shí)，需要冶金工作者結(jié)合本文所述，進(jìn)一步研究冷錠的加熱工藝。

參考文獻(xiàn)

文章來源——金屬世界