分享：鋼鍛制棒材探傷不合的原因分析和工藝改進

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]，因而被廣泛地應用于惡劣環境中。由于含碳量高，韌性較低，易脆性斷裂[2]。在我國，該鋼曾作為航天航空尖端材料進行研制。近年來，隨著該鋼種在不銹、軸承、刀具行業的推廣應用[3]，國內的特鋼企業進行過少量生產，多用于制造受沖擊負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，可鍛溫度區間較窄[5]，且生產時極易出現碳化物開裂，使鋼材不得不判廢或改鍛。2017年改變加熱介質以來，探傷合格率一直處于波動的狀態，比之前有較大的下滑。近期一度降到47%且發現有肉眼可見的孔洞，嚴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.   生產工藝流程和設備參數

1.1   生產工藝流程

根據成材規格，制定1.4112鋼生產工藝流程：

（1）冶煉→模鑄→1000 t精鍛成材（簡稱1000直材）或1800 t快鍛+1000 t精鍛成材（簡稱1800+1000聯合材），生產≤?120 mm削皮材。

（2）冶煉→模鑄→1800 t精鍛成材（簡稱1800直材），生產直徑121～150 mm削皮材。

（3）冶煉→模鑄→3150 t快鍛＋1800 t精鍛成材（簡稱3150+1800聯合材）或1800 t精鍛+3150 t快鍛+1800 t精鍛（簡稱1800+3150+1800聯合材），生產直徑151～300 mm削皮材。

（4）冶煉→模鑄→3150 t快鍛（簡稱3150直材），生產≥?301 mm削皮材。

1.2   設備參數

第二煉鋼廠：主要設備有1座30 t非真空感應爐和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條臺車式地坑澆鑄線。根據鍛造廠提錠要求，初煉鋼水經過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可調錠型。

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

運輸方式：帶保溫罩的汽車。

1.3   鋼種的化學成分

1.4112鋼種相當于國內9Cr18MoV鋼種，可用于制造不銹鋼切片、機械刃具以及剪切工具等材料。為了提高切削性能，多數用戶要求鋼中的硫質量分數按0.015%～0.030%控制?；瘜W成分見表1。

2.   產品缺陷與質量檢驗

2.1   產品質量缺陷

新線發生的質量問題，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  鍛造初期發生掉尾問題

一種為成品材探傷不合，傷波多數在20 dB以下，甚至底波消失，即傷波≥底波（F≥B）。在成品材部分斷面的中心區域，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

取探傷不合材的低倍片做檢驗，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

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行高倍分析。圖4（a）為傷波較輕的試片，橫向切取，中心區域存在小孔洞；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，其中網狀碳化物沿著碳化物發生開裂。

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時，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，主要是鋼錠尾部產生內部應力，由內向外開裂。分析內部應力產生的原因是鋼錠脫模時間過晚，脫模后鋼錠尾部溫度較低。當中心部位溫度冷卻到相變溫度點（Ar1）以下時，如果繼續冷卻而且冷卻速度太大時，就會在鋼錠的中心部位產生很大的拉應力，會導致尾部脫落[6]。

通過進一步數據統計和研究分析，認為造成掉尾的第二個原因是加熱爐待料溫度低。由于此鋼種為高碳馬氏體鋼，脫模時已獲得了馬氏體組織。由于鋼錠預熱不夠，高溫鋼錠入加熱爐后，由于爐溫待料溫度低，并沒有對鋼錠起到保溫或升溫的作用，反而使鋼錠中心部溫度進一步下降，加大了心部的應力。第三個原因是鋼錠均溫后，在低溫段升溫過程中，鋼錠升溫速度過快，由于此鋼導熱性不好，內外部應力進一步加大，形成更大的熱應力和組織應力，導致內部橫向開裂。鍛造初期，在外力的作用下，鋼錠或鋼坯經加工變形后變成通到表面的裂口，嚴重時發生了掉尾問題，見圖1。

3.2   探傷不合問題的分析

針對探傷不合，結合錠型、工藝路線，按成品材支數統計探傷合格率。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錠型所生產的成品材探傷合格率不好，尤其前兩個錠型，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，結合高、低倍檢驗結果，同時收集現場的生產記錄、影像等信息與品種工藝規程進行技術分析。通過比對，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。

進一步調查、分析，具有這樣的規律：

（1）鋼錠保溫時間過長。受生產組織、設備故障等因素影響，鋼錠保溫時間較工藝要求長。

（2）現場人員在保溫時間的理解上存在差異。有人員認為，在鋼錠出環形爐第三段進入第四段（保溫段）時，開始保溫時間的計時，而不是按爐溫達到規程要求時開始計時。

（3）中間坯再燒時間過長。超規程要求時間。

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

（5）因設備故障，為保障生產的連續性，現場操作者通常按規程要求的下限溫度加熱保溫。但是，由于故障解除具體時間無法確定，為提高生產效率，操作者又未按要求進行降溫處理，人為導致了保溫時間過長。

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

（7）加熱介質由水煤汽改為天然氣后，探傷不合的發生率比以前高。

3.3   其它因素的影響

為提高切削性能，要求鋼中的硫質量分數按0.015%～0.030%控制。結合探傷情況來看，與錳硫比無明顯對應關系，分別對比試驗0.30% Mn和0.60% Mn，均有探傷不合的發生，發生不合的，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、鋼錠的保溫時間、成材規格有所不同外，其它的工藝參數，如化學成分控制、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，調整方向應是鋼錠保溫時間及中間坯的再燒時間。

4.   工藝改進措施

由于加熱介質的改變，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行加熱，對于易產生過熱、導熱性差、易形成穿孔的品種，不可避免地發生探傷不合。

通過上述分析與討論，在采用新加熱介質后，優化新線的生產工藝：

（1）為避免掉尾，繼續采用高溫紅送，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）如果紅送過程中發生意外，導致鋼錠入爐溫度低于常規溫度，應調整加熱爐待料溫度（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）鋼錠加熱工藝的優化：保溫溫度1140～1160 °C，保溫時間按4~8 h。

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

（6）對于生產組織的要求：因設備故障或其他原因熱停工不能按時出爐，調整為按下限保溫。當總保溫時間達到上限時，仍無法出爐生產時，降溫到800~1000 °C；具備生產條件時升溫且升溫速度不限，料溫達到工藝要求的保溫溫度后，保溫時間按原工藝進行生產。降溫到800~1000 °C且待料8 h仍無法生產時，按相關管理規定。

5.   效果驗證

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

6.   結論

（1）加熱介質的改變，對于高碳高合金比的特殊品種，應調整紅送和加熱工藝，避免發生掉尾、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生，除降低加熱溫度，還需關注保溫時間，尤其在加熱介質或爐窯發生改變后。

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

（4）此鋼種為高碳高合金鋼，為保證凝固質量，應嚴格控制澆注溫度，并采用熱周轉包冶煉，防止因高溫澆注產生錠偏、中心疏松等質量缺陷。

（5）質量是生產出來的。對于易發生探傷不合的品種，除了從專業角度科學分析、從工藝策劃上加強技術保障外，在生產組織上，必須嚴肅地按工藝規程執行，并準確理解保溫時間的概念。

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

（7）此鋼種不適宜變冷錠。采用冷錠生產時，需要冶金工作者結合本文所述，進一步研究冷錠的加熱工藝。

參考文獻

文章來源——金屬世界