30Cr13中厚板中心偏析原因分析及改進

蔣 鵬，胡自明，李 翠，曹 鵬，張 林

（山東泰山鋼鐵集團有限公司，山東 濟南 271100）

1 前言

馬氏體不銹鋼是可通過熱處理工序對其性能進行調整，在室溫下保持馬氏體組織的可硬化的含鉻不銹鋼。30Cr13是一種典型的馬氏體不銹鋼，具有良好的機械加工性能，良好的淬硬性、耐腐蝕性能、高拋光強度和耐磨性［1］，可用于高強度零件，以及承受高應力負荷和某些腐蝕性介質的磨損零件。某單位使用200 mm厚度的30Cr13板坯軋制模具用中厚板原料，軋制后中厚板中心厚度層位置出現中心偏析缺陷，嚴重影響后續深加工產品的質量，為查明缺陷原因并消除缺陷，取樣進行分析并提出改進措施。

2 缺陷原因分析

2.1 宏觀檢測結果

30Cr13 板坯經3 道次粗軋軋制120 mm 厚度的中厚板，使用銑床對中厚板表面進行銑削，發現中厚板的橫截面厚度中心位置出現疑似偏析紋路，呈細條狀沿中厚板的截面方向沿展。取樣樣品形貌見圖1。

圖1 樣品宏觀檢測結果

2.2 化學成分檢測結果

對取樣樣品進行化學成分檢測，結果見表1，各元素成分含量均滿足GB/T 4237《不銹鋼熱軋鋼板和鋼帶》標準要求。

表1 化學成分檢測結果（質量分數） %

2.3 低倍檢測

為查明宏觀表現出的紋路是否為中心偏析缺陷，將取回樣品使用磨床將表面修磨至Ra為1.6 μm，使用電解法進行鹽酸電解侵蝕，電流380 A、電壓20 V、時間20 min，檢測后將樣品清洗、吹干后參照YB/T 4003 對組織缺陷進行評級，低倍檢測結果見圖2。中心偏析B 2.5級、中心疏松1.5級，中心偏析缺陷嚴重。

圖2 低倍檢測結果

2.4 金相檢測

在低倍檢測后的樣品沿厚度方向截3組試樣，依次標記取1#～3#。其中2#樣品取自厚度方向中心位置。磨制、拋光后進行金相檢測，金相檢測結果見圖3。2#樣品檢測面發現大量縮孔缺陷，縮孔尺寸最大達1 mm，縮孔附近存在析出物聚集現象，析出物顏色為淡黃色，根據形貌和顏色判斷為Ti析出物。1#樣品和3#樣品檢測面未發現縮孔缺陷。3組樣品均未發現大顆粒夾雜物存在。使用三氯化鐵溶液對三組樣品分別腐蝕后，進行顯微組織觀察，1#樣品和3#樣品為常規的馬氏體組織，2#試樣組織為馬氏體+殘余奧氏體+簇狀的碳化物析出。

圖3 金相檢測結果

2.5 小結

化學成分檢測知，取回樣品各元素成分含量滿足GB/T 4237標準要求；經低倍組織檢測，取回樣品中心偏析B 2.5 級、中心疏松1.5 級，低倍組織存在較大的缺陷；經金相檢測，1#和3#樣品的組織均為馬氏體，2#樣品在厚度方向中心位置存在馬氏體+殘余奧氏體組織+簇狀的碳化物析出，與1#和3#樣品組織存在較大的差異。

綜上，通過低倍檢測和金相檢測，取回樣品的中心位置存在嚴重的偏析現象，厚度方向中心位置組織存在簇狀的碳化物析出，而中心偏析現象的產生與連鑄工藝設計與控制息息相關［2］，因此應從連鑄工藝設計與控制方面對中心偏析產生原因進行追溯，并采取相應的工藝優化改善措施。

3 原因追溯與工藝改進

3.1 中心偏析原因追溯

（1）30Cr13板坯主要用途為軋制中厚板的模具，中厚板厚度規格多為40～120 mm，壓縮比較低，導致中心偏析、縮孔現象在熱軋過程不能軋合，受制于工況條件現狀，難以在此方面開展改善工作。

（2）30Cr13板坯連鑄生產中二冷水采用強冷工藝，比水量大，導致板坯表面與心部冷卻不均勻；未投用電磁攪拌，造成碳化物聚集偏析和縮孔現象遺傳至中厚板上；連鑄輕壓下的壓下量偏低，不能阻礙偏析元素的流動。連鑄工藝參數：拉速0.85 m/min；輕壓下量2.0 mm；二冷配水總流量2 406 L/min。

3.2 工藝改善措施與驗證

通過對取回樣品中心偏析原因的追溯，連鑄工藝設計和控制方面存在多個問題，須從連鑄工藝優化入手，采取如下措施進行改善。

（1）二冷水控制。二冷水強度用比水量來反映，比水量大，說明冷卻強度大。比水量小，鋼水凝固過程的溫度梯度也小，在凝固前沿就會析出更多的晶核，從而在鑄坯中達到組織、成分的均勻穩定［3］。出現中心偏析的中厚板二次水冷卻制度采用強冷工藝，導致板坯表面與心部冷卻不均勻，為此，再次生產時采用弱冷工藝，即采用低的比水量，比水量0.6 L/kg，使板坯表面與中心均勻冷卻。

（2）電磁攪拌控制。電磁攪拌在連鑄工序中的工作原理為：強烈的電磁攪拌使得鋼水中的溫度梯度相對減少，攪拌力破碎已經凝固的樹枝晶，形成游離的晶核并增殖，使低倍組織中等軸晶率提高，化學成分均勻，避免偏析現象的發生。攪拌電流越大，磁感應強度的增加越明顯，鋼液所受的電磁力也就越大。較大的電磁力有利于鋼液的攪拌和換熱及溫度場的均勻化，電磁攪拌力越大，熔體的攪拌越劇烈，劇烈攪拌可促進熔體的換熱，攪拌越劇烈，熔體的熱交換也越劇烈，溫度場也越均勻［3］。電磁攪拌生產初期并未投用，再次生產時投用電磁攪拌，電流300 A，頻率5 Hz，降低碳聚集偏析，避免造成砂眼或縮孔。

（3）輕壓下控制。鑄坯輕壓下技術是指通過在連鑄坯凝固末期附近施加壓力（熱應力和機械應力）以產生一定的壓下阻礙含富集偏析元素的鋼液流動，從而消除中心偏析，同時補償連鑄坯的凝固收縮量以消除中心疏松。出現中心偏析的中厚板連鑄機輕壓下設定值為2 mm，壓下量偏低，不能完全阻礙偏析元素的流動，為此再次生產時將連鑄機輕壓下設定壓下值5 mm，實際壓下值≥3 mm，減輕中心偏析，同時控制鋼水澆注過熱度20～30 ℃，防止高低溫澆注，造成輕壓下位置和壓下力的變化。改進后的連鑄工藝參數見表2。

表2 連鑄工藝參數

對連鑄工藝改進后的30Cr13板坯取樣，進行低倍組織檢測，參照YB/T 4003對組織缺陷進行評級，中心偏析C 0.5 級、中心疏松0.5 級，中心偏析現象得到明顯改善。低倍檢測見圖4。

圖4 低倍檢測圖片

4 結語

在組織生產30Cr13 板坯時，針對中厚板用途時，及時調整連鑄工藝，采用二冷水弱冷工藝，板坯均勻冷卻；投用電磁攪拌，降低碳聚集偏析；調整輕壓下值，阻礙偏析元素流動，以上措施可明顯改善中心偏析現象。