郭東旭，袁長生，常春麗

東北特殊鋼集團(tuán)股份有限公司 遼寧大連 116600

1 序言

42CrMoS4圓鋼調(diào)質(zhì)材料是歐標(biāo)EN 10083-3：2006（目前已被EN ISO 683-2：2018替代）中最為常用的品種。因其具有良好的強度及塑韌性，并通過添加S元素又具有良好的車削性能，所以廣泛應(yīng)用于工程機械、汽車、石油及風(fēng)電等行業(yè)。本文通過對該品種調(diào)質(zhì)過程中發(fā)生的開裂問題進(jìn)行深入分析，進(jìn)一步優(yōu)化工藝，大幅減少了過程廢品，實現(xiàn)了連鑄代替模鑄，生產(chǎn)成本大幅降低。

2 問題概述

2014年，東北特鋼集團(tuán)大連基地引進(jìn)合金鋼大棒材連續(xù)調(diào)質(zhì)處理生產(chǎn)線，規(guī)格φ100～φ360mm軋材。自投產(chǎn)以來，以42CrMoS4鋼為代表的中碳合金鋼隨著連鑄連軋生產(chǎn)規(guī)格的逐步擴(kuò)大，采用φ600mm圓坯軋制生產(chǎn)φ250mm以上圓材，調(diào)質(zhì)前進(jìn)行無損檢測，能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但在后續(xù)調(diào)質(zhì)過程中出現(xiàn)不同程度的開裂現(xiàn)象（見圖1、圖2）。而同期生產(chǎn)的更大規(guī)格模鑄材沒有開裂問題發(fā)生，因此需要對連續(xù)式調(diào)質(zhì)過程中開裂原因進(jìn)行分析，找出工藝改善點，實現(xiàn)大直徑調(diào)質(zhì)材的連鑄化，擴(kuò)大連鑄極限規(guī)格。

圖1 鋼材開裂形貌

圖2 斷裂面形貌

3 生產(chǎn)工藝及設(shè)備

3.1 工藝流程

工藝流程為：轉(zhuǎn)爐→LF→RH→兩機兩流大圓坯連鑄機→φ600mm連鑄坯旋轉(zhuǎn)加熱/緩冷→步進(jìn)梁式加熱爐→1050軋機開坯→連軋機→緩冷→調(diào)質(zhì)→檢測→精整入庫。

3.2 熱處理設(shè)備

熱處理設(shè)備為燃?xì)馐竭B續(xù)調(diào)質(zhì)爐，可生產(chǎn)規(guī)格φ100～φ360mm，天然氣明火加熱，V形輥輥底式淬火加熱爐，輥子與料臺軸線呈一定角度同時自轉(zhuǎn)，單支鋼材旋轉(zhuǎn)通過淬火加熱爐，以達(dá)到防止變形、實現(xiàn)均勻冷卻的目的。輥子中心線與爐子中心線設(shè)計為一定夾角。

淬火水箱冷卻介質(zhì)為水，采用水環(huán)噴射冷卻。該種冷卻方式可以使蒸汽膜提早破裂，顯著提高在較高溫度區(qū)間內(nèi)的換熱系數(shù)和冷卻速度，噴水壓力越高，流量越大，冷卻效果就越好[1]。噴水系統(tǒng)（水環(huán)）分為高壓噴水區(qū)和低壓噴水區(qū)。高壓水環(huán)4組，每組可單獨控制流量；低壓水環(huán)若干組，水流量需整體調(diào)節(jié)，如圖3所示。

圖3 淬火過程

3.3 調(diào)質(zhì)工藝

亞共析鋼一般淬火加熱比Ac3高30～50℃[1]，42CrMoS4鋼Ac3（參考42CrMo鋼）為780℃[2]，連續(xù)爐按區(qū)制定升溫及保溫工藝，考慮到出爐溫降條件，保溫區(qū)溫度為850℃，為提高加熱效率，3～7區(qū)溫度高于850℃，見表1。淬火冷卻為水冷，采用高壓和低壓水環(huán)冷卻，具體工藝見表2?；鼗饻囟戎饕鶕?jù)用戶性能要求進(jìn)行調(diào)整，一般在630～680℃。

表1 淬火加熱工藝

表2 冷卻工藝

4 檢測

4.1 化學(xué)成分

選取一爐φ250mm的42CrMoS4圓鋼作為分析對象，鋼材熔煉化學(xué)成分見表3。從表3可看出，化學(xué)成分均符合要求。

表3 42CrMoS4圓鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

4.2 力學(xué)性能

根據(jù)EN 10081-1：2005及EN 10083-3：2006要求，鋼材調(diào)質(zhì)后在距表面12.5mm處截取縱向試樣，檢測力學(xué)性能，結(jié)果見表4。力學(xué)性能指標(biāo)符合EN 10083-3：2006要求，且指標(biāo)較好。

表4 規(guī)格φ250mm圓鋼力學(xué)性能檢測結(jié)果

4.3 低倍檢測

對調(diào)質(zhì)開裂鋼材取樣進(jìn)行酸浸低倍檢測，按ASTM E381：2017進(jìn)行評級，標(biāo)準(zhǔn)要求不超過S2（皮下區(qū)域2級），R2（一般區(qū)域2級）、C2（中心區(qū)域2級）。實際結(jié)果如圖4所示，評級為S1、R1、C3，中心區(qū)域疏松評級有超標(biāo)現(xiàn)象。

圖4 低倍檢測

5 原因分析

5.1 檢測數(shù)據(jù)分析

鋼材化學(xué)成分無異常，力學(xué)性能指標(biāo)符合EN 10083-3：2006要求，且同其他規(guī)格生產(chǎn)質(zhì)量相當(dāng)，屈強比及沖擊性能結(jié)果屬于正常水平，說明淬火奧氏體化及淬火冷卻速度可以滿足馬氏體轉(zhuǎn)變要求。但鋼材低倍中心疏松存在超標(biāo)現(xiàn)象，與模鑄生產(chǎn)中心低倍質(zhì)量有一定差距，模鑄生產(chǎn)時該規(guī)格組織從未發(fā)生開裂現(xiàn)象，中心區(qū)域疏松會弱化心部區(qū)域的強度，使得開裂更容易發(fā)生。

5.2 宏觀及理論分析

鋼材縱裂發(fā)生在淬水后、回火前，一般發(fā)生在淬火水箱后半段或進(jìn)回火爐之前的橫移臺架上，從圖5可以看出，裂紋起始點為距鋼材端部150～200mm處，可見從中心區(qū)域向外放射的紋理，說明鋼材開裂是由中心開始的。由于42CrMoS4鋼淬透性有限，一般200mm以上規(guī)格可完全轉(zhuǎn)化為馬氏體的深度不到20mm，因此在這個淬火過程中的開裂屬于典型的大規(guī)格非淬透件開裂。圖6[2]所示為組織應(yīng)力抵消了一部分熱應(yīng)力后以熱應(yīng)力為主的殘留應(yīng)力分布，該曲線體現(xiàn)了該開裂鋼材冷卻后期的應(yīng)力分布，隨著冷卻逐漸進(jìn)行，組織轉(zhuǎn)變已接近尾聲。而且由于該鋼淬透性有限，心部未發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，此時心部仍在進(jìn)一步冷卻收縮，心表的溫度差導(dǎo)致心部承受來自表面的拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力與溫度差成正比關(guān)系。當(dāng)心部拉應(yīng)力超過心部可承受的強度極限時，會從心部開始形成開裂，這時如果心部致密性不良，則會加劇該問題發(fā)生。

圖5 斷裂形貌

圖6 應(yīng)力變化曲線

5.3 數(shù)據(jù)分析驗證

為進(jìn)一步驗證相關(guān)工藝數(shù)據(jù)參數(shù)對開裂的影響，將化學(xué)成分（C、Mn、Cr、Mo、P、S）、低倍、高壓水流量、高壓水壓力、低壓水流量及低壓水壓力等所有相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集統(tǒng)計，運用Minitab進(jìn)行回歸分析，找出影響最大的關(guān)鍵因子。最終從P值相關(guān)性判斷，C元素、低倍C（中心區(qū)域）、低壓流量及壓力是主要影響因素，這與前面的理論分析是基本一致的，低壓流量及壓力作業(yè)在冷卻后期，會導(dǎo)致鋼材表面一直被冷卻，這樣心部與表面會形成較大的溫度梯度，心部承受的拉應(yīng)力也就越大，中心低倍的質(zhì)量又影響到心部承受這部分拉應(yīng)力的能力。因此，后續(xù)工藝改善要從如何減少心部拉應(yīng)力作為關(guān)鍵點。

6 工藝改進(jìn)及效果

綜合以上分析，在當(dāng)前的化學(xué)成分及低倍質(zhì)量前提下，既要保證淬火質(zhì)量又要降低鋼材熱應(yīng)力是需要解決的關(guān)鍵問題。結(jié)合回歸分析數(shù)據(jù)，決定對淬火加熱溫度850℃以上的溫度全部降為850℃，以降低鋼材心部奧氏體化過程溫度，這樣可以使心部溫度降低。同時關(guān)閉所有低壓水，僅采用高壓水冷卻，使鋼材冷卻后期有一定的表面返溫，通過調(diào)整鋼材出水箱溫度，即從原50～80℃提高到150～180℃，完全可以保證淬火效果及性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。工藝改進(jìn)后，后續(xù)生產(chǎn)鋼材開裂問題得到有效地解決，產(chǎn)品性能檢測（皮下12.5mm）全部滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。按此工藝思路不斷優(yōu)化，連鑄連軋材生產(chǎn)規(guī)格已擴(kuò)展至φ290mm，并可穩(wěn)定生產(chǎn)。

7 結(jié)束語

1）在連續(xù)式調(diào)質(zhì)過程中，鋼材開裂的主要原因是由于連鑄材中心疏松區(qū)域在淬火冷卻后期受到超出其抗拉強度極限的拉應(yīng)力，因此導(dǎo)致開裂發(fā)生。

2）在當(dāng)前化學(xué)成分及低倍質(zhì)量下，通過調(diào)整奧氏體化溫度、淬火水環(huán)后期冷卻強度，適當(dāng)提高出水箱溫度，可有效降低鋼材心部拉應(yīng)力，摸索出合適的工藝既保證產(chǎn)品性能合格又可以避免開裂問題發(fā)生。

3）優(yōu)化后的工藝制度完全滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。