30Cr13中厚板中心偏析原因分析及改进

蒋 鹏，胡自明，李 翠，曹 鹏，张 林

（山东泰山钢铁集团有限公司，山东 济南 271100）

1 前言

马氏体不锈钢是可通过热处理工序对其性能进行调整，在室温下保持马氏体组织的可硬化的含铬不锈钢。30Cr13是一种典型的马氏体不锈钢，具有良好的机械加工性能，良好的淬硬性、耐腐蚀性能、高抛光强度和耐磨性［1］，可用于高强度零件，以及承受高应力负荷和某些腐蚀性介质的磨损零件。某单位使用200 mm厚度的30Cr13板坯轧制模具用中厚板原料，轧制后中厚板中心厚度层位置出现中心偏析缺陷，严重影响后续深加工产品的质量，为查明缺陷原因并消除缺陷，取样进行分析并提出改进措施。

2 缺陷原因分析

2.1 宏观检测结果

30Cr13 板坯经3 道次粗轧轧制120 mm 厚度的中厚板，使用铣床对中厚板表面进行铣削，发现中厚板的横截面厚度中心位置出现疑似偏析纹路，呈细条状沿中厚板的截面方向沿展。取样样品形貌见图1。

图1 样品宏观检测结果

2.2 化学成分检测结果

对取样样品进行化学成分检测，结果见表1，各元素成分含量均满足GB/T 4237《不锈钢热轧钢板和钢带》标准要求。

表1 化学成分检测结果（质量分数） %

2.3 低倍检测

为查明宏观表现出的纹路是否为中心偏析缺陷，将取回样品使用磨床将表面修磨至Ra为1.6 μm，使用电解法进行盐酸电解侵蚀，电流380 A、电压20 V、时间20 min，检测后将样品清洗、吹干后参照YB/T 4003 对组织缺陷进行评级，低倍检测结果见图2。中心偏析B 2.5级、中心疏松1.5级，中心偏析缺陷严重。

图2 低倍检测结果

2.4 金相检测

在低倍检测后的样品沿厚度方向截3组试样，依次标记取1#～3#。其中2#样品取自厚度方向中心位置。磨制、抛光后进行金相检测，金相检测结果见图3。2#样品检测面发现大量缩孔缺陷，缩孔尺寸最大达1 mm，缩孔附近存在析出物聚集现象，析出物颜色为淡黄色，根据形貌和颜色判断为Ti析出物。1#样品和3#样品检测面未发现缩孔缺陷。3组样品均未发现大颗粒夹杂物存在。使用三氯化铁溶液对三组样品分别腐蚀后，进行显微组织观察，1#样品和3#样品为常规的马氏体组织，2#试样组织为马氏体+残余奥氏体+簇状的碳化物析出。

图3 金相检测结果

2.5 小结

化学成分检测知，取回样品各元素成分含量满足GB/T 4237标准要求；经低倍组织检测，取回样品中心偏析B 2.5 级、中心疏松1.5 级，低倍组织存在较大的缺陷；经金相检测，1#和3#样品的组织均为马氏体，2#样品在厚度方向中心位置存在马氏体+残余奥氏体组织+簇状的碳化物析出，与1#和3#样品组织存在较大的差异。

综上，通过低倍检测和金相检测，取回样品的中心位置存在严重的偏析现象，厚度方向中心位置组织存在簇状的碳化物析出，而中心偏析现象的产生与连铸工艺设计与控制息息相关［2］，因此应从连铸工艺设计与控制方面对中心偏析产生原因进行追溯，并采取相应的工艺优化改善措施。

3 原因追溯与工艺改进

3.1 中心偏析原因追溯

（1）30Cr13板坯主要用途为轧制中厚板的模具，中厚板厚度规格多为40～120 mm，压缩比较低，导致中心偏析、缩孔现象在热轧过程不能轧合，受制于工况条件现状，难以在此方面开展改善工作。

（2）30Cr13板坯连铸生产中二冷水采用强冷工艺，比水量大，导致板坯表面与心部冷却不均匀；未投用电磁搅拌，造成碳化物聚集偏析和缩孔现象遗传至中厚板上；连铸轻压下的压下量偏低，不能阻碍偏析元素的流动。连铸工艺参数：拉速0.85 m/min；轻压下量2.0 mm；二冷配水总流量2 406 L/min。

3.2 工艺改善措施与验证

通过对取回样品中心偏析原因的追溯，连铸工艺设计和控制方面存在多个问题，须从连铸工艺优化入手，采取如下措施进行改善。

（1）二冷水控制。二冷水强度用比水量来反映，比水量大，说明冷却强度大。比水量小，钢水凝固过程的温度梯度也小，在凝固前沿就会析出更多的晶核，从而在铸坯中达到组织、成分的均匀稳定［3］。出现中心偏析的中厚板二次水冷却制度采用强冷工艺，导致板坯表面与心部冷却不均匀，为此，再次生产时采用弱冷工艺，即采用低的比水量，比水量0.6 L/kg，使板坯表面与中心均匀冷却。

（2）电磁搅拌控制。电磁搅拌在连铸工序中的工作原理为：强烈的电磁搅拌使得钢水中的温度梯度相对减少，搅拌力破碎已经凝固的树枝晶，形成游离的晶核并增殖，使低倍组织中等轴晶率提高，化学成分均匀，避免偏析现象的发生。搅拌电流越大，磁感应强度的增加越明显，钢液所受的电磁力也就越大。较大的电磁力有利于钢液的搅拌和换热及温度场的均匀化，电磁搅拌力越大，熔体的搅拌越剧烈，剧烈搅拌可促进熔体的换热，搅拌越剧烈，熔体的热交换也越剧烈，温度场也越均匀［3］。电磁搅拌生产初期并未投用，再次生产时投用电磁搅拌，电流300 A，频率5 Hz，降低碳聚集偏析，避免造成砂眼或缩孔。

（3）轻压下控制。铸坯轻压下技术是指通过在连铸坯凝固末期附近施加压力（热应力和机械应力）以产生一定的压下阻碍含富集偏析元素的钢液流动，从而消除中心偏析，同时补偿连铸坯的凝固收缩量以消除中心疏松。出现中心偏析的中厚板连铸机轻压下设定值为2 mm，压下量偏低，不能完全阻碍偏析元素的流动，为此再次生产时将连铸机轻压下设定压下值5 mm，实际压下值≥3 mm，减轻中心偏析，同时控制钢水浇注过热度20～30 ℃，防止高低温浇注，造成轻压下位置和压下力的变化。改进后的连铸工艺参数见表2。

表2 连铸工艺参数

对连铸工艺改进后的30Cr13板坯取样，进行低倍组织检测，参照YB/T 4003对组织缺陷进行评级，中心偏析C 0.5 级、中心疏松0.5 级，中心偏析现象得到明显改善。低倍检测见图4。

图4 低倍检测图片

4 结语

在组织生产30Cr13 板坯时，针对中厚板用途时，及时调整连铸工艺，采用二冷水弱冷工艺，板坯均匀冷却；投用电磁搅拌，降低碳聚集偏析；调整轻压下值，阻碍偏析元素流动，以上措施可明显改善中心偏析现象。