30Cr13馬氏體不銹鋼分層形成原因及改進(jìn)

梁健渾，徐向東，方劍鋒，鄢湘仁，黃衛(wèi)文，羅杰

（鞍鋼鞍聯(lián)（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(jī)械性能和具有一定耐腐蝕性能的零部件，并廣泛地應(yīng)用在刀具、園藝剪具、醫(yī)用器械等領(lǐng)域。通過近幾年的努力研發(fā)及推廣，鞍鋼聯(lián)眾（廣州）不銹鋼有限公司（以下簡稱“鞍聯(lián)”）馬氏體不銹鋼產(chǎn)品產(chǎn)量已穩(wěn)定4～5萬t/a。在研發(fā)生產(chǎn)的過程中，30Cr13馬氏體不銹鋼主要存在熱軋分層問題，嚴(yán)重影響產(chǎn)線軋制穩(wěn)定性及成材率。

1 分層缺陷形貌及形成機(jī)理

1.1 宏觀形貌

熱軋現(xiàn)場觀察30Cr13不銹鋼鑄坯出加熱爐后，鋼坯表面品質(zhì)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(tài)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(jìn)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(tài)，經(jīng)能譜儀EDS分析，沒有發(fā)現(xiàn)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(jī)理

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

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

參考鞍聯(lián)30Cr13馬氏體不銹鋼熱軋制程參數(shù)（如表1所示），出鋼溫度為1 250±10℃，列出相圖中的對應(yīng)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(rèn)為30Cr13不銹鋼鋼坯部分存在碳鉻偏析，導(dǎo)致出鋼溫度1 250℃時，鋼坯偏析位置進(jìn)入液相區(qū)，熱軋軋制時產(chǎn)生分層［1］。

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

2 分層缺陷原因分析

為進(jìn)一步確認(rèn)30Cr13馬氏體不銹鋼熱軋制時存在液相區(qū)，導(dǎo)致分層缺陷產(chǎn)生，使用DSC熱分析法確認(rèn)相變狀況。

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用鞍聯(lián)30Cr13馬氏體不銹鋼，試驗(yàn)材料成分如表2所示，試驗(yàn)材料生產(chǎn)工藝為：電爐→轉(zhuǎn)爐→精煉爐→連鑄→線下切割機(jī)取試樣。

表2 試驗(yàn)材料成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Composition in Test Materials（Mass Fraction） %

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前準(zhǔn)備鋼坯寬度方向邊部和中間試樣，在實(shí)驗(yàn)室使用熱流型DSC加熱爐進(jìn)行試驗(yàn)，制定實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(yàn)結(jié)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(jù)對比芯部和邊部的DSC曲線結(jié)果可以看出，在芯部試樣的升溫過程中的DSC曲線出現(xiàn)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(qū)間內(nèi)沒有發(fā)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(xiàn)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(yán)重。因此，在連鑄生產(chǎn)30Cr13時，鋼坯凝固過程芯部碳鉻偏析嚴(yán)重，當(dāng)熱軋鋼坯加熱至1 250℃時，鋼坯芯部偏析位置進(jìn)入液相區(qū)，導(dǎo)致熱軋軋制時發(fā)生分層。

表3 鑄坯厚度方向材料成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）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(jìn)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(qiáng)一冷冷卻水強(qiáng)度，偏析改善制程參數(shù)見表5，熱軋出鋼溫度降低至1 230±10℃。連鑄加強(qiáng)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(tài)見圖8，熱軋中間坯分層程度明顯減輕。熱軋產(chǎn)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(chǎn)出成材率提高約2%。

表4 試驗(yàn)材料成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 4 Compositions in Test Materials（Mass Fraction） %

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

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

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

4 結(jié)論

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

（2）通過強(qiáng)化連鑄一冷冷卻強(qiáng)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%。