分享：钢锻制棒材探伤不合的原因分析和工艺改进

1.4112钢中含较高C、Cr，所以具有较高的淬透性和很好的耐磨性[1]，因而被广泛地应用于恶劣环境中。由于含碳量高，韧性较低，易脆性断裂[2]。在我国，该钢曾作为航天航空尖端材料进行研制。近年来，随着该钢种在不锈、轴承、刀具行业的推广应用[3]，国内的特钢企业进行过少量生产，多用于制造受冲击负荷较小的零件或工具[4]。由于1.4112钢属高碳马氏体型不锈钢，与中低碳马氏体不锈钢相比，塑性较差，可锻温度区间较窄[5]，且生产时极易出现碳化物开裂，使钢材不得不判废或改锻。2017年改变加热介质以来，探伤合格率一直处于波动的状态，比之前有较大的下滑。近期一度降到47%且发现有肉眼可见的孔洞，严重影响了公司的合同交付率。因此，提高探伤合格率成为本文的主要研究方向。

1.   生产工艺流程和设备参数

1.1   生产工艺流程

根据成材规格，制定1.4112钢生产工艺流程：

（1）冶炼→模铸→1000 t精锻成材（简称1000直材）或1800 t快锻+1000 t精锻成材（简称1800+1000联合材），生产≤?120 mm削皮材。

（2）冶炼→模铸→1800 t精锻成材（简称1800直材），生产直径121～150 mm削皮材。

（3）冶炼→模铸→3150 t快锻＋1800 t精锻成材（简称3150+1800联合材）或1800 t精锻+3150 t快锻+1800 t精锻（简称1800+3150+1800联合材），生产直径151～300 mm削皮材。

（4）冶炼→模铸→3150 t快锻（简称3150直材），生产≥?301 mm削皮材。

1.2   设备参数

第二炼钢厂：主要设备有1座30 t非真空感应炉和1座30 t普通功率电弧炉、2座30 t LF炉、1座30 t VOD/VHD炉、1座30 t VD炉和5条台车式地坑浇铸线。根据锻造厂提锭要求，初炼钢水经过LF精炼炉、VD炉脱气后，可浇注成0.71、1.2、2.1 t或2.8、4、5 t或5.2、9 t或10~13 t可调锭型。

锻造厂：分为老线和新线。老线主要设备有1000 t精锻机、2000 t快锻机、3500 t快锻机。新线于2010年建立，主要设备有1800 t精锻机、3150 t快精锻机。加热设备有环型加热炉和室式加热炉，加热介质于2017年10月由水煤气改成天然气。

运输方式：带保温罩的汽车。

1.3   钢种的化学成分

1.4112钢种相当于国内9Cr18MoV钢种，可用于制造不锈钢切片、机械刃具以及剪切工具等材料。为了提高切削性能，多数用户要求钢中的硫质量分数按0.015%～0.030%控制。化学成分见表1。

2.   产品缺陷与质量检验

2.1   产品质量缺陷

新线发生的质量问题，主要有两种：

一种为钢锭掉尾，是指钢锭在锻造过程中，锭尾部分横向开裂而掉落，俗称掉尾，见图1。

图  1  锻造初期发生掉尾问题

一种为成品材探伤不合，伤波多数在20 dB以下，甚至底波消失，即伤波≥底波（F≥B）。在成品材部分断面的中心区域，有肉眼可见的孔洞，见图2。

图  2  成品材端面的中心有肉眼可见的孔洞

2.2   低倍检验

取探伤不合材的低倍片做检验，见图3。低倍定性为中心孔洞。从低倍片可见，随着伤波的加重，低倍片上的中心缺陷越来越严重。图3（a）试片有肉眼可见较小的孔洞；图3（b）和（c）试片中心区域有非常明显的孔洞，与图2的缺陷一致。

图  3  不同伤波定性片低倍图：（a）14 dB； （b）F=B试片1； （c）F=B试片2

2.3   高倍检验

切取探伤不合料的低倍试片（图4），将缺陷部分制成小试样进行高倍分析。图4（a）为伤波较轻的试片，横向切取，中心区域存在小孔洞；图4（b）为伤波较重的试片，纵向切取。在高倍下可观察到孔洞，孔洞附近均有碳化物存在，其中网状碳化物沿着碳化物发生开裂。

图  4  不同伤波定性片高倍图：（a）14 dB；（b）F=B

3.   分析与讨论

3.1   锻造过程中掉尾问题的分析

2015年在采用大锭型生产时，尾部脱落的比例占65.7%，影响了综合成材率[6]。

钢锭尾部异常脱落，主要是钢锭尾部产生内部应力，由内向外开裂。分析内部应力产生的原因是钢锭脱模时间过晚，脱模后钢锭尾部温度较低。当中心部位温度冷却到相变温度点（Ar1）以下时，如果继续冷却而且冷却速度太大时，就会在钢锭的中心部位产生很大的拉应力，会导致尾部脱落[6]。

通过进一步数据统计和研究分析，认为造成掉尾的第二个原因是加热炉待料温度低。由于此钢种为高碳马氏体钢，脱模时已获得了马氏体组织。由于钢锭预热不够，高温钢锭入加热炉后，由于炉温待料温度低，并没有对钢锭起到保温或升温的作用，反而使钢锭中心部温度进一步下降，加大了心部的应力。第三个原因是钢锭均温后，在低温段升温过程中，钢锭升温速度过快，由于此钢导热性不好，内外部应力进一步加大，形成更大的热应力和组织应力，导致内部横向开裂。锻造初期，在外力的作用下，钢锭或钢坯经加工变形后变成通到表面的裂口，严重时发生了掉尾问题，见图1。

3.2   探伤不合问题的分析

针对探伤不合，结合锭型、工艺路线，按成品材支数统计探伤合格率。老线采用0.71 t锭型和新线采用9.0 t锭型所生产的成品材，探伤合格率非常好；而新线采用1.2、2.1和5.2 t锭型所生产的成品材探伤合格率不好，尤其前两个锭型，探伤合格率更低，见表2。

因此，为查清影响探伤合格率的真正原因，结合高、低倍检验结果，同时收集现场的生产记录、影像等信息与品种工艺规程进行技术分析。通过比对，本次研究样本的高、低倍缺陷与以往探伤不合的缺陷相同，见图3、图4。

进一步调查、分析，具有这样的规律：

（1）钢锭保温时间过长。受生产组织、设备故障等因素影响，钢锭保温时间较工艺要求长。

（2）现场人员在保温时间的理解上存在差异。有人员认为，在钢锭出环形炉第三段进入第四段（保温段）时，开始保温时间的计时，而不是按炉温达到规程要求时开始计时。

（3）中间坯再烧时间过长。超规程要求时间。

（4）保温符合规程要求，但仍发生探伤不合的情况。整炉的均温和保温时间完全符合工艺规程的要求。当具备出炉生产条件时，先出炉的前半炉钢锭所产的材探伤全合格。但是由于小钢锭多，锻造时间长，导致后出炉的钢锭因在高温段滞留时间过长，所产材探伤合格率大幅降低。

（5）因设备故障，为保障生产的连续性，现场操作者通常按规程要求的下限温度加热保温。但是，由于故障解除具体时间无法确定，为提高生产效率，操作者又未按要求进行降温处理，人为导致了保温时间过长。

（6）钢锭装车、红送、装炉过程中存在意外故障，导致钢锭入炉温度低而发生掉尾问题。在锻造过程中，掉尾端的断面裂纹向内部延伸，导致探伤不合。

（7）加热介质由水煤汽改为天然气后，探伤不合的发生率比以前高。

3.3   其它因素的影响

为提高切削性能，要求钢中的硫质量分数按0.015%～0.030%控制。结合探伤情况来看，与锰硫比无明显对应关系，分别对比试验0.30% Mn和0.60% Mn，均有探伤不合的发生，发生不合的，均满足上文所述的共性问题。但为保证钢水脱氧、材料性能，锰含量也不适宜过低。

除锭型大小的差异、钢锭的保温时间、成材规格有所不同外，其它的工艺参数，如化学成分控制、钢锭加热出炉温度、中间坯的再烧温度、道次变形量在炉次间和各生产批次间的相差并不大。

通过上述讨论与分析，为解决探伤不合，调整方向应是钢锭保温时间及中间坯的再烧时间。

4.   工艺改进措施

由于加热介质的改变，天然气的热值比水煤汽的热值高，升温速度也比水煤气的升温速度快。如果仍按原来的工艺进行加热，对于易产生过热、导热性差、易形成穿孔的品种，不可避免地发生探伤不合。

通过上述分析与讨论，在采用新加热介质后，优化新线的生产工艺：

（1）为避免掉尾，继续采用高温红送，开辟绿色通道，首先保证此品种入炉，待料温度由原来的550～600 °C提高到650～700 °C。

（2）如果红送过程中发生意外，导致钢锭入炉温度低于常规温度，应调整加热炉待料温度（T1），使之与锭尾平均温度（T2）满足：T1=T2+（150±10） °C且待料温度不得超过700 °C。

（3）入炉均温后，低温段的升温速度控制≤50 °C/h。

（4）钢锭加热工艺的优化：保温温度1140～1160 °C，保温时间按4~8 h。

（5）中间坯加热工艺的优化：再烧温度1140～1160 °C，再烧时间依坯型按1.5~3 h控制。

（6）对于生产组织的要求：因设备故障或其他原因热停工不能按时出炉，调整为按下限保温。当总保温时间达到上限时，仍无法出炉生产时，降温到800~1000 °C；具备生产条件时升温且升温速度不限，料温达到工艺要求的保温温度后，保温时间按原工艺进行生产。降温到800~1000 °C且待料8 h仍无法生产时，按相关管理规定。

5.   效果验证

按上述优化方案，采用合适的锭型以保证加工比，共冶炼5炉钢。生产过程，加强红送的紧凑性。锻造过程中未发生掉尾问题，共生产125支材，探伤全都合格。自2017年10月以来，新线首次实现批次探伤合格率100%，见表3。

6.   结论

（1）加热介质的改变，对于高碳高合金比的特殊品种，应调整红送和加热工艺，避免发生掉尾、过热孔洞、探伤不合等缺陷。

（2）该钢种含较高Cr且含有Mo、V，均为易形成碳化物的元素。为避免过热孔洞的发生，除降低加热温度，还需关注保温时间，尤其在加热介质或炉窑发生改变后。

（3）该钢种含较高C、Cr且含有Mo、V，增加了钢锭的内应力。为避免因应力掉尾，应保证高温红送，且入炉待料温度控制在650～700 °C。

（4）此钢种为高碳高合金钢，为保证凝固质量，应严格控制浇注温度，并采用热周转包冶炼，防止因高温浇注产生锭偏、中心疏松等质量缺陷。

（5）质量是生产出来的。对于易发生探伤不合的品种，除了从专业角度科学分析、从工艺策划上加强技术保障外，在生产组织上，必须严肃地按工艺规程执行，并准确理解保温时间的概念。

（6）对于此钢种来说，锰含量并非引起探伤不合的影响因素，为节省成本，降低锰含量或低锰硫比是可行的。

（7）此钢种不适宜变冷锭。采用冷锭生产时，需要冶金工作者结合本文所述，进一步研究冷锭的加热工艺。

参考文献

文章来源——金属世界