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分享:鋼鍛制棒材探傷不合的原因分析和工藝改進(jìn)

2024-02-21 11:00:34 

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,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。

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(簡稱1000直材)或1800 t快鍛+1000 t精鍛成材(簡稱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(簡稱3150+1800聯(lián)合材)或1800 t精鍛+3150 t快鍛+1800 t精鍛(簡稱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(簡稱3150直材),生產(chǎn)≥?301 mm削皮材。

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、2000 t快鍛機、3500 t快鍛機。新線于2010年建立,主要設(shè)備有1800 t精鍛機、3150 t快精鍛機。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。

運輸方式:帶保溫罩的汽車。

1.4112鋼種相當(dāng)于國內(nèi)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(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。

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

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(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

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

2015年在采用大錠型生產(chǎn)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(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(Ar1)以下時,如果繼續(xù)冷卻而且冷卻速度太大時,就會在鋼錠的中心部位產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力,會導(dǎo)致尾部脫落[6]

通過進(jìn)一步數(shù)據(jù)統(tǒng)計和研究分析,認(rèn)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(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)重時發(fā)生了掉尾問題,見圖1。

針對探傷不合,結(jié)合錠型、工藝路線,按成品材支數(shù)統(tǒng)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(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、低倍檢驗結(jié)果,同時收集現(xiàn)場的生產(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,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)鋼錠保溫時間過長。受生產(chǎn)組織、設(shè)備故障等因素影響,鋼錠保溫時間較工藝要求長。

(2)現(xiàn)場人員在保溫時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,開始保溫時間的計時,而不是按爐溫達(dá)到規(guī)程要求時開始計時。

(3)中間坯再燒時間過長。超規(guī)程要求時間。

(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,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,鍛造時間長,導(dǎo)致后出爐的鋼錠因在高溫段滯留時間過長,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)致了保溫時間過長。

(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。

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,與錳硫比無明顯對應(yīng)關(guān)系,分別對比試驗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)是鋼錠保溫時間及中間坯的再燒時間。

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,再燒時間依坯型按1.5~3 h控制。

(6)對于生產(chǎn)組織的要求:因設(shè)備故障或其他原因熱停工不能按時出爐,調(diào)整為按下限保溫。當(dāng)總保溫時間達(dá)到上限時,仍無法出爐生產(chǎn)時,降溫到800~1000 °C;具備生產(chǎn)條件時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,按相關(guān)管理規(guī)定。

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,新線首次實現(xiàn)批次探傷合格率100%,見表3。

(1)加熱介質(zhì)的改變,對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(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,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