王 文 王怡群 徐 寧 胡建成

(河南中原特鋼裝備制造有限公司，河南459008)

23CrNi3MoA作為一種低碳高鎳鉻鉬鋼，主要應用于釬頭、釬尾和釬桿產(chǎn)品的生產(chǎn)。近年來，隨著國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程規(guī)模的擴展，對現(xiàn)代高頻率、高沖擊鑿巖設(shè)備的需求量也逐年上升，惡劣的鑿巖工作環(huán)境對配套釬頭用鋼棒的質(zhì)量要求也越來越高[1-3]。我公司采用新的工藝流程對23CrNi3MoA鉆頭用鋼棒進行研制，產(chǎn)品不僅滿足技術(shù)指標要求，同時還降低了生產(chǎn)制造成本。

1 技術(shù)要求

1.1 化學成分

化學成分要求見表1。

1.2 低倍

鋼棒的橫截面酸浸組織試片上不得有目視可見的縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、白點及分層等缺陷。按GBT 1979—2001檢測，合格級別見表2。

1.3 非金屬夾雜物

1.4 奧氏體晶粒度

1.5 帶狀組織

1.6 力學性能

表1 化學成分要求(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition requirements (mass fraction, %)

表2 低倍組織要求Table 2 Macro-structure requirements

表3 非金屬夾雜物要求Table 3 Nonmetallic inclusion requirements

表4 力學性能要求Table 4 Mechanical properties requirements

2 工藝路線選擇

根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求、鋼種特性和工藝技術(shù)裝備特點，選擇試制工藝路線：電弧爐冶煉+爐外精煉+真空脫氣+立式連鑄圓坯(?400 mm×5900 mm)+連鑄圓坯退火→理化檢測→加熱→軋制(?75 mm)→退火→剝皮→無損檢測→下料→理化檢測→合格入庫→交貨。

3 生產(chǎn)試制

3.1 冶煉

3.1.1 電弧爐冶煉+爐外精煉+真空脫氣

從坯料冶煉開始，貫徹執(zhí)行降低氣體和非金屬夾雜物含量、減輕偏析的各種技術(shù)措施。采用精選爐料并通過LF+VD冶煉坯料，在冶煉過程中精細操作，熔清后邊吹氧邊流渣進行脫磷操作，溫度≥1580℃取樣，控制五害元素，出鋼溫度≥1630℃，出鋼過程中嚴禁下渣，從而提高鋼液純凈度；VD真空除氣要求溫度1660～1680℃進入真空罐脫氣，控制真空度在≤70 Pa下保持時間≥20 min，吹氬軟攪拌≥15 min。

3.1.2 立式連鑄圓坯

本次試制采用立式圓坯連鑄機生產(chǎn)，無彎曲-矯直過程，無鑄坯內(nèi)外弧冷卻條件差異，無鑄坯內(nèi)外側(cè)溫度差異，無鑄造組織和內(nèi)部應力不均、夾雜物偏聚等問題，生產(chǎn)的原材料成分、組織均勻，不易出現(xiàn)表面裂紋等缺陷?？紤]試制產(chǎn)品規(guī)格和技術(shù)要求，并結(jié)合連鑄和軋制設(shè)備情況，優(yōu)選?400 mm連鑄圓坯直接軋制的方式生產(chǎn)。

連鑄過程嚴格按中間包烘烤規(guī)程進行烘烤，烘烤時間4.5 h～6.0 h，?？竞髴⒓从脷鍤夤芟蛑虚g包內(nèi)充入氬氣排除空氣；中間包使用無碳覆蓋劑及碳化稻殼雙層保護；嚴格控制坯料溫度、冷卻水流量、拉坯速度，出坯后執(zhí)行低溫退火，退火后將兩端飛刺、毛邊清理干凈，下轉(zhuǎn)軋制工序。

3.2 軋制

本批次產(chǎn)品通過外協(xié)軋制生產(chǎn)，軋制工藝路線：加熱、除磷、開坯、軋制、下料、坑冷、退火。

3.2.1 加熱

該鋼種合金元素較高，屬于低碳高鎳鉻鉬鋼，因此加熱采用三段加熱法。實際生產(chǎn)采用步進式加熱爐，準確控制各階段溫度，避免組織應力、溫度應力造成坯料開裂的風險，出爐時保證軋制溫度達到1200℃±50℃。

3.2.2 軋制

軋制前采用除鱗機清理連鑄坯表面氧化皮，除磷機壓力設(shè)定≥20 MPa；?400 mm連鑄坯直接進入開坯機，經(jīng)過5道次開坯，每道次單項變形；開完坯直接進入輥道進行多個不同方向軋制變形，設(shè)置孔型尺寸?76.2 mm(單邊預留0.7 mm～1 mm剝皮余量)，最終成型坯料；保證終軋溫度后，冷床快速步進，保證入坑溫度≥400℃。

3.3 退火

該23CrNi3MoA鉆頭用鋼棒合金含量較高，為避免軋制后鋼棒硬度過高、影響后續(xù)加工，同時調(diào)整晶粒和組織，為淬火做好熱處理準備，軋制后需進行退火處理，具體熱處理曲線如圖1所示。

4 產(chǎn)品檢驗

4.1 連鑄坯C偏析

為了掌握連鑄圓坯質(zhì)量情況，連鑄圓坯退火后切取試片。從?400 mm試片邊緣起沿直徑方向均布13個點鉆取試樣，用紅外碳硫分析儀檢測C元素含量，并繪制C偏析曲線，如圖2所示。

圖2 連鑄坯C偏析曲線
Figure 2 Carbon segregation curve of continuous casting slab

通過對C偏析曲線圖分析可以看出，C元素含量從邊緣到中心基本呈現(xiàn)倒“N”形走勢，在大約R2位置處含量最高。C元素含量都在0.218%～0.239%范圍內(nèi)，滿足技術(shù)要求。

4.2 低倍

選取任意爐號軋制鋼棒，切取20 mm厚低倍試片，低倍組織檢測結(jié)果如表5所示。

表5 低倍組織檢測結(jié)果Table 5 Test results of macro-structure

4.3 高倍

在軋制鋼棒R2處切取試料，分別進行非金屬夾雜物、奧氏體晶粒度、帶狀組織檢測，結(jié)果如表6所示。

對試樣顯微組織進行檢測，結(jié)果如圖3所示。

表6 爐號M1601284-2-01的非金屬夾雜物、 奧氏體晶粒度、帶狀組織檢測結(jié)果Table 6 Test results of nonmetallic inclusions and autstenitic grain size and banded structure of heat No.M1601284-2-01

(a)(b)

圖3 爐號M1601284-2-01的顯微組織Figure 3 Metallographic microstructure of heat No. M1601284-2-01

4.4 力學性能

選取任意爐號軋制鋼棒，截取力學性能試樣，在870～950℃淬火，200℃回火后，按照GBT 228.1—2010、GBT 229—2007檢測室溫(20℃)拉伸性能和夏比沖擊吸收能量，為進行試驗對比，夏比沖擊吸收能量同時檢測“U”型缺口和“V”型缺口試樣，結(jié)果如表7所示。

5 結(jié)論

(1)合理選擇原材料，采用電爐冶煉+LF爐外精煉+真空脫氣+立式連鑄圓坯，并進行退火后可以得到質(zhì)量合格的連鑄坯。

(2)采用連鑄坯直接軋制，設(shè)計科學的軋制變形工藝參數(shù)和采用軋制后退火工藝，預留合適的剝皮余量，保證良好的表面和內(nèi)部質(zhì)量。

(3)采用合理的工藝路線、工藝參數(shù)設(shè)計，生產(chǎn)出滿足技術(shù)要求的23CrNi3MoA鉆頭用鋼棒，鋼材各項指標優(yōu)異，綜合性能良好。

(4)立式連鑄圓坯C元素含量從坯料邊緣到中心呈現(xiàn)對稱倒“N”形走勢，坯料的凝固機理和成分控制在后續(xù)生產(chǎn)中需要進一步研究和控制。