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        1.4112 鋼鍛制棒材探傷不合的原因分析和工藝改進(jìn)

        2023-02-07 03:45:10供稿許強(qiáng)XUQiang
        金屬世界 2023年1期
        關(guān)鍵詞:新線精鍛鋼種

        供稿|許強(qiáng)/ XU Qiang

        內(nèi)容導(dǎo)讀 鍛造新線生產(chǎn)的1.4112 棒材,探傷缺陷較重,探傷不合多數(shù)在20 dB 以下,甚至探傷無底波,探傷合格率只有47%。通過統(tǒng)計(jì)、分析生產(chǎn)數(shù)據(jù),結(jié)合冶金和鍛造理論知識(shí)及生產(chǎn)實(shí)踐,改進(jìn)加熱爐待料溫度、降低保溫溫度、調(diào)整再燒工藝及采用低溫澆注等措施,實(shí)現(xiàn)了探傷合格率100%的目標(biāo)。

        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(shí)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(dòng)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。

        生產(chǎn)工藝流程和設(shè)備參數(shù)

        生產(chǎn)工藝流程

        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。

        設(shè)備參數(shù)

        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(tái)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(jī)、2000 t 快鍛機(jī)、3500 t 快鍛機(jī)。新線于2010 年建立,主要設(shè)備有1800 t 精鍛機(jī)、3150 t快精鍛機(jī)。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(yùn)輸方式:帶保溫罩的汽車。

        鋼種的化學(xué)成分

        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(jī)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。

        表1 成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

        產(chǎn)品缺陷與質(zhì)量檢驗(yàn)

        產(chǎn)品質(zhì)量缺陷

        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。

        低倍檢驗(yàn)

        取探傷不合材的低倍片做檢驗(yàn),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2 成品材端面的中心有肉眼可見的孔洞

        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

        高倍檢驗(yàn)

        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

        分析與討論

        鍛造過程中掉尾問題的分析

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

        通過進(jìn)一步數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和研究分析,認(rèn)為造成掉尾的第二個(gè)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(shí)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(duì)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(gè)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(shí)發(fā)生了掉尾問題,見圖1。

        探傷不合問題的分析

        針對(duì)探傷不合,結(jié)合錠型、工藝路線,按成品材支數(shù)統(tǒng)計(jì)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(gè)錠型,探傷合格率更低,見表2。

        表2 合格率統(tǒng)計(jì)表

        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(yàn)結(jié)果,同時(shí)收集現(xiàn)場(chǎng)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(duì),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(shí)間過長。受生產(chǎn)組織、設(shè)備故障等因素影響,鋼錠保溫時(shí)間較工藝要求長。

        (2)現(xiàn)場(chǎng)人員在保溫時(shí)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(shí),開始保溫時(shí)間的計(jì)時(shí),而不是按爐溫達(dá)到規(guī)程要求時(shí)開始計(jì)時(shí)。

        (3)中間坯再燒時(shí)間過長。超規(guī)程要求時(shí)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(shí)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(shí),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(shí)間長,導(dǎo)致后出爐的鋼錠因在高溫段滯留時(shí)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(chǎng)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(shí)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(shí)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。

        其它因素的影響

        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(duì)應(yīng)關(guān)系,分別對(duì)比試驗(yàn)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(shí)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(shí)間及中間坯的再燒時(shí)間。

        工藝改進(jìn)措施

        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(duì)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(shí)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(shí)間依坯型按1.5~3 h 控制。

        (6)對(duì)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(shí)出爐,調(diào)整為按下限保溫。當(dāng)總保溫時(shí)間達(dá)到上限時(shí),仍無法出爐生產(chǎn)時(shí),降溫到800~1000 °C;具備生產(chǎn)條件時(shí)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(shí)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(shí),按相關(guān)管理規(guī)定。

        效果驗(yàn)證

        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(qiáng)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(shí)現(xiàn)批次探傷合格率100%,見表3。

        表3 試驗(yàn)爐號(hào)各錠型成品材探傷情況

        結(jié)論

        (1)加熱介質(zhì)的改變,對(duì)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(shí)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(duì)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(qiáng)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(shí)間的概念。

        (6)對(duì)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(shí),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。

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