1.4112鋼生產(chǎn)工藝研究

韓鳳軍 趙 丹 唐 亮

(撫順特殊鋼股份有限公司，遼寧113001)

因?yàn)?.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，因而它被廣泛地應(yīng)用于惡劣環(huán)境中[1-2]。在我國(guó)，由于該鋼的特殊性，曾作為航天航空尖端材料進(jìn)行研制。近年來，隨著該鋼在不銹、軸承、刀具行業(yè)的推廣應(yīng)用，國(guó)內(nèi)的特鋼企業(yè)進(jìn)行過少量生產(chǎn)，用于制造受沖擊負(fù)荷較小的零件或工具[3-4]。1.4112系列是高碳高鉻鋼，屬馬氏體型不銹鋼，塑性較差，可鍛溫度區(qū)間較窄[5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我廠2015年大鋼錠生產(chǎn)時(shí)尾部脫落的比例占65.7%，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。綜合成材率僅為54%，因此提高成材率是降低質(zhì)量成本的重要方向。

1 試驗(yàn)方法

1.1 生產(chǎn)工藝路線

生產(chǎn)工藝路線有以下3種：

(1)冶煉(電爐+LF+VD)→鍛造(18 MN精鍛機(jī))；

(2)冶煉(電爐+LF+VD)→鍛造(31.5 MN快鍛機(jī)+18 MN精鍛機(jī))；

(3)冶煉(電爐+LF+VD)→鍛造(31.5 MN快鍛機(jī))。

1.2 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

化學(xué)成分要求見表1。

2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

為更細(xì)致的分析和解決問題，對(duì)前期的生產(chǎn)數(shù)據(jù)按生產(chǎn)機(jī)臺(tái)的不同進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并統(tǒng)計(jì)了各金屬損失的環(huán)節(jié)及金屬損失的占比。除此之外還做了理論損失值與實(shí)際損失的對(duì)比，以便后續(xù)采取措施及有方向性的改善。按成材機(jī)臺(tái)可分為精鍛機(jī)直材、精快聯(lián)合成材、快鍛機(jī)直材。

2.1 精鍛直材成材率

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions (mass fraction, %)

圖1為10個(gè)月的精鍛直材成材率的時(shí)間序列圖，除第5個(gè)月沒有合同外其他月份的成材率均低于70%。從金屬損失的柏拉圖看，主要損失環(huán)節(jié)為切頭、車削、表面缺陷判切等環(huán)節(jié)。

2.2 精快聯(lián)合成材率

圖2為10個(gè)月的精快聯(lián)合成材率的時(shí)間序列圖，除第5、第9個(gè)月沒有合同外其他月份的成材率均低于70%。從金屬損失的柏拉圖看，主要損失環(huán)節(jié)為切頭、車削、切尾及表面缺陷判切等環(huán)節(jié)。

(a)精鍛直材成材率(b)金屬損失

圖1精鍛直材成材率及金屬損失Figure 1 Yield and metal loss of direct material by finish forging

圖2 精快聯(lián)合成材率及金屬損失Figure 2 Yield and metal loss by combining finish forging with high-speed forging

圖3 快鍛直材成材率及金屬損失Figure 3 Yield and metal loss of direct material by high-speed forging

2.3 快鍛直材成材率

圖3為10個(gè)月的快鍛直材成材率的時(shí)間序列圖，除第2、3、4、5個(gè)月沒有合同外其他月份的成材率均低于65%。從金屬損失的柏拉圖看，主要損失環(huán)節(jié)為切頭、車削等環(huán)節(jié)。

2.4 金屬損失理論值與實(shí)際值的對(duì)比

金屬損失理論值與實(shí)際值的對(duì)比見表2。

由表2可以看出，成材率提升空間較大，其中切頭率、切尾率及車削率是主要的解決方向。

3 討論及分析

經(jīng)前期的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析發(fā)現(xiàn)，影響成材率的主要因素是切頭、切尾及車削損失，而正常的理論損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)際損失。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，切頭率較大的原因是生產(chǎn)時(shí)頭部劈裂必須切除；切尾率較大的原因是鋼錠尾部異常脫落；車削率較大的原因是表面裂紋嚴(yán)重為保證成品尺寸不得不加尺生產(chǎn)。

圖4 成材率控制圖Figure 4 Control diagram of yield

3.1 表面裂紋及檢測(cè)不合格

S是鋼中的有害元素，隨著S的增加鋼坯的熱塑性明顯降低，Mn能夠抵消S的有害影響[6]，所以增加Mn含量，提高錳硫比有利于提高鋼的熱塑性，減少表面裂紋的產(chǎn)生機(jī)率。資料顯示Mn/S=20為臨界值。熱加工溫度也是影響鋼材塑性的主要因素，所以調(diào)整化學(xué)成分配比及調(diào)整熱加工工藝是解決表面裂紋的主要方向。

檢測(cè)不合格時(shí)取片定性，中心疏松3.0或4.0，觀察定性片中心位置存在明顯的枝晶組織，屬心部組織破碎不好[7]，經(jīng)統(tǒng)計(jì)取片疏松的鋼材鍛比均在3.5～4.3之間，所以增大鍛比是解決疏松的一種措施。另外由于鋼錠均為多火鍛造，鍛造過程中變形量分配不均會(huì)出現(xiàn)內(nèi)裂，所以控制變形量也是一種解決措施。

1.4112鋼中C、Cr含量較高，鋼中極易形成不均勻的碳化物而影響鋼的質(zhì)量和性能[8]。1.4112鋼對(duì)加熱工藝要求比較敏感，它在加熱和冷卻過程中，組織會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，高溫時(shí)為奧氏體，從高溫經(jīng)空冷后轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。1.4112系列鋼始鍛溫度過高會(huì)出現(xiàn)高溫鐵素體，使塑性降低，鍛造時(shí)容易開裂。鋼錠及鋼坯的加熱制度不當(dāng)極易導(dǎo)致表面裂紋及檢測(cè)不合格。

3.2 穿孔(尾部脫落)

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過晚，鋼錠在澆注完成到裝爐升溫這段時(shí)間太長(zhǎng)，導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，理論依據(jù)是澆注后的鋼錠，當(dāng)中心部溫度冷卻到Ac1以下時(shí)，如果繼續(xù)冷卻而且冷卻速度太大時(shí)，就會(huì)在鋼錠的中心部產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致穿孔(尾部脫落)[10]。另一個(gè)原因是鋼錠加熱速度過快導(dǎo)致的穿孔(尾部脫落)缺陷，理論依據(jù)是鋼錠在800℃以下的低溫段加熱過程中，如果升溫太快，會(huì)造成鋼錠里外溫差過大，在中心部位產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，形成穿孔[10]。當(dāng)冷卻應(yīng)力和熱應(yīng)力疊加超過鋼錠中心部金屬的溫度時(shí)，就會(huì)造成鋼錠中心部開裂，并在鍛造過程中穿透表面，形成穿孔(尾部脫落)[11]。

3.3 頭部劈裂及檢測(cè)不合格

頭部劈裂，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察及標(biāo)定，鋼坯頭部劈裂時(shí)端頭明顯變暗，實(shí)測(cè)端頭溫度均在800℃以下，所以端部溫度低是頭部劈裂的主要原因。在800℃以下此鋼的端頭類似于玻璃體一碰即裂，塑性極差，而且在后續(xù)的生產(chǎn)中有向內(nèi)延伸的現(xiàn)象[12]。

4 工藝改進(jìn)

冶煉時(shí)在LF爐調(diào)整化學(xué)成分配比使Mn/S≥20；鋼水澆注成鋼錠后脫模時(shí)間盡量縮短，澆注4 t錠以上錠型時(shí)，由二煉在澆注完后3 h開始標(biāo)定凝固時(shí)間，每10 s探一次，凝固后立即脫模，脫模后高溫紅送加工分廠立即進(jìn)行加熱；鋼錠加熱溫度由原來的1160～1180℃改為1140～1160℃；鍛造時(shí)單錘變形量按80 mm控制；鍛造過程中每火次的終鍛溫度提高到≥950℃；合理選擇錠型鍛比在5～7之間。

圖4為精鍛直材、精快聯(lián)合材、快鍛直材成材率的控制圖。可以看出，精鍛機(jī)直材工藝改善前平均成材率為65%，改變工藝后成材率為69.80%，成材率提高4.8%；精快聯(lián)合工藝改善前平均成材率為50%，改變工藝后成材率為66%，成材率提高16%；快鍛直材工藝改善前平均成材率為54%，改變工藝后成材率為65.5%，成材率提高11.5%。

5 結(jié)論

(1)冶煉時(shí)在LF爐調(diào)整化學(xué)成分配比使Mn/S≥20，提高了鋼材的塑性，有效的控制了表面裂紋的產(chǎn)生。

(2)鋼水澆注成鋼錠后縮短脫模時(shí)間，減少了由于鋼錠冷卻帶來的應(yīng)力效應(yīng)，有效地解決了鋼錠尾部脫落問題，從而大幅度提高了成材率。

(3)鍛造過程中每火次的終鍛溫度提高到≥950℃，規(guī)避了低溫鍛造導(dǎo)致的端頭劈裂。

(4)合理選擇錠型鍛比在5～7之間，合理的鍛比改善了鋼材組織的致密性，也避免了由于鍛比過大導(dǎo)致的鍛制火次過多產(chǎn)生的質(zhì)量問題。