30Cr13馬氏體不銹鋼分層形成原因及改進

梁健渾，徐向東，方劍鋒，鄢湘仁，黃衛文，羅杰

（鞍鋼鞍聯（廣州）不銹鋼有限公司，廣東 廣州 510760）

30Cr13馬氏體不銹鋼通常被用來制造具有良好機械性能和具有一定耐腐蝕性能的零部件，并廣泛地應用在刀具、園藝剪具、醫用器械等領域。通過近幾年的努力研發及推廣，鞍鋼聯眾（廣州）不銹鋼有限公司（以下簡稱“鞍聯”）馬氏體不銹鋼產品產量已穩定4～5萬t/a。在研發生產的過程中，30Cr13馬氏體不銹鋼主要存在熱軋分層問題，嚴重影響產線軋制穩定性及成材率。

1 分層缺陷形貌及形成機理

1.1 宏觀形貌

熱軋現場觀察30Cr13不銹鋼鑄坯出加熱爐后，鋼坯表面品質良好，粗軋第一道次完軋后鋼帶頭尾可見明顯分層，甚者頭尾軋爛，30Cr13不銹鋼宏觀缺陷形態如圖1所示。

圖1 30Cr13不銹鋼宏觀缺陷形貌Fig.1 Macroscopic Defect Appearance of 30Cr13 Stainless Steel

1.2 微觀形貌

取3組試樣進行測試，將清洗好的缺陷試樣放在掃描電鏡SEM下觀察其微觀分層形態，經能譜儀EDS分析，沒有發現明顯煉鋼、連鑄過程的夾雜物。通過分析中間坯低倍組織，材料存在鉻偏析，屬于C類偏析，3組試樣偏析等級分別為3.0、2.5、3.0。SEM微觀形貌和EDS能譜分析分別見圖2、3。

圖2 SEM微觀形貌Fig.2 SEM Microscopic Appearance

圖3 EDS能譜分析Fig.3 EDS Energy Spectrum Analysis

1.3 形成機理

圖4 為Fe-C合金相圖，由圖可知，當溫度大于1 250℃時，30Cr13馬氏體不銹鋼進入液相區。

圖4 Fe-C合金相圖（Cr=12%）Fig.4 Phase Diagram of Fe-C Alloy（Cr=12%）

參考鞍聯30Cr13馬氏體不銹鋼熱軋制程參數（如表1所示），出鋼溫度為1 250±10℃，列出相圖中的對應位置（圖3中虛線位置），正處于γ→L的臨界位置。而中間坯分層試樣EDS分析存在明顯鉻偏析，初步認為30Cr13不銹鋼鋼坯部分存在碳鉻偏析，導致出鋼溫度1 250℃時，鋼坯偏析位置進入液相區，熱軋軋制時產生分層［1］。

表1 熱軋制程參數Table 1 Hot Rolling Process Parameters

2 分層缺陷原因分析

為進一步確認30Cr13馬氏體不銹鋼熱軋制時存在液相區，導致分層缺陷產生，使用DSC熱分析法確認相變狀況。

2.1 試驗材料

試驗材料選用鞍聯30Cr13馬氏體不銹鋼，試驗材料成分如表2所示，試驗材料生產工藝為：電爐→轉爐→精煉爐→連鑄→線下切割機取試樣。

表2 試驗材料成分（質量分數）Table 2 Composition in Test Materials（Mass Fraction） %

2.2 試驗方法

試驗前準備鋼坯寬度方向邊部和中間試樣，在實驗室使用熱流型DSC加熱爐進行試驗，制定實驗溫度制度，首先以90℃/min的升溫速率升到1 250℃，再以2.5℃/min的速度升溫到1 350℃，最后以60℃/min的冷卻速度到室溫。在實驗過程中通高純氬氣，以減少試樣表面形成的氧化。在溫度變化過程中，用差示掃描量熱儀測量樣品和參比物之間熱流差的變化，得出DSC曲線。

2.3 試驗結果

鋼坯芯部、邊部試樣在1 250～1 350℃過程DSC曲線分別如圖5和圖6所示。根據對比芯部和邊部的DSC曲線結果可以看出，在芯部試樣的升溫過程中的DSC曲線出現了一個吸熱峰，溫度跨度在1 265～1 290℃，邊部試樣在這個溫度區間內沒有發生明顯的吸熱和放熱過程。

圖5 鋼坯芯部試樣在1 250～1 350℃過程DSC曲線Fig.5 DSC Curves of Samples in Core of Steel Billet between 1 250℃and 1 350℃

圖6 鋼坯邊部試樣在1 250～1 350℃過程DSC曲線Fig.6 DSC Curves of Samples at Edge of Steel Billet between 1 250℃and 1 350℃

2.4 鋼坯成分分析

同等加熱條件下，鋼坯不同位置呈現不一樣的DSC曲線，按圖7所示從鋼坯厚度方向取5等份試樣，使用能譜分析儀檢測不同位置鑄坯成分。鑄坯厚度方向材料成分見表3。由表可知，鑄坯厚度方向存在明顯碳、鉻偏析，距離鑄坯上下面80 mm位置開始有偏析，鋼坯芯部偏析最嚴重。因此，在連鑄生產30Cr13時，鋼坯凝固過程芯部碳鉻偏析嚴重，當熱軋鋼坯加熱至1 250℃時，鋼坯芯部偏析位置進入液相區，導致熱軋軋制時發生分層。

表3 鑄坯厚度方向材料成分（質量分數）Table 3 Compositions in Casting Blank in Direction of Thickness（Mass Fraction）

圖7 鑄坯取樣位置Fig.7 Sampling Positions in Casting Blanks

3 改進措施及效果

取5個爐次30Cr13不銹鋼試樣，成分見表4，測試連鑄加強一冷冷卻水強度，偏析改善制程參數見表5，熱軋出鋼溫度降低至1 230±10℃。連鑄加強冷卻后，鋼坯芯部偏析有所改善，改善后偏析為C類偏析，等級分別為2.0、1.5、1.5。降低熱軋出鋼溫度后，中間坯形態見圖8，熱軋中間坯分層程度明顯減輕。熱軋產出率推移圖見圖9，由圖可以看出，分層比例下降明顯，熱軋產出成材率提高約2%。

表4 試驗材料成分（質量分數）Table 4 Compositions in Test Materials（Mass Fraction） %

表5 偏析改善制程參數Table 5 Process Parameters for Segregation Improvement

圖8 熱軋中間坯形態Fig.8 Hot Rolled Intermediate Slab Appearance

圖9 熱軋產出率推移圖Fig.9 Transition Diagram of Output Capacity for Hot Rolling

4 結論

（1）生產30Cr13鋼熱軋分層的主要原因是連鑄生產30Cr13鋼坯時，鋼坯凝固過程芯部碳鉻偏析嚴重，熱軋固熔處理鋼坯的過程，鋼坯芯部進入液相區，導致熱軋軋延時發生分層。

（2）通過強化連鑄一冷冷卻強度、熱軋出鋼溫度降至1 230±10℃，中間坯分層程度明顯減輕，同時分層比例下降明顯，黑皮成材率提高約2%。