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4Cr13 为马氏体类型不锈钢，该钢种机械加工性能较好，经热处理（淬火及回火）后具有优良的耐腐蚀性能和抛光性能、较高的强度和耐磨性，适合制造承受高负荷、高耐磨及在腐蚀介质作用下的模具材料，是高合金模具钢中的代表性品种。
某公司模铸产线生产的4Cr13 钢，是该产线生产的合金含量最高的钢种，生产组织难度大，生产成本较高，一旦发生探伤不合导致钢坯报废或降级，将带来很大的质量成本损失。尤其是该产线生产的厚规格产品，用户对成品探伤要求越来越高，探伤不合发生率显著高于薄规格产品。因此，找出影响4Cr13 厚板探伤不合的主要原因，并对生产工艺进行改进和优化，对控制此类缺陷的产生和提高我国模具钢产品质量具有重要意义。 模铸生产的4Cr13钢板厚度规格为60~200 mm，采用在线超声波对每块钢板进行探伤，检验其内部质量情况，钢板内部缺陷极少分布于全板面，一般以钢板头、尾居多，多在厚度方向上1/4 或者1/2 处出现。随机对4Cr13 钢板探伤不合缺陷处进行取样并进行分析，发现主要为两种缺陷类型，一类是钢板局部的点状缺陷，另一类是中心区域的线状缺陷。 对局部具有点状缺陷的钢板缺陷位置进行定位，采取冷锯切方式将其缺陷部位切割，并再次探伤确认取样位置的准确性。然后沿探伤缺陷处横向取样，进行磨制抛光，采用扫描电镜进行分析，如图1 所示。![]()
由图1 可见，缺陷尺寸较大，长度约600 μm，并呈长条状。对缺陷处进行能谱分析，如图2 所示，其成分主要为Al、O、Ca 等，表明该缺陷主要以CaO 与Al2O3 为主的钙铝酸盐夹杂物所形成。![]()
钢板中线状缺陷主要集中于中心区域，多发于宽度方向1/2 处，如图3 所示。由图3 可发现在钢板中心区域存在明显的条线状缺陷，缺陷长度达65mm 左右，宽度在1mm左右。沿线状缺陷剖开，采用扫描电镜观察其晶粒组织和结构，如图4 所示。其晶粒以典型的自由态结构形式存在，表明钢锭凝固时，形成了二次缩孔，导致其形成了疏松结构。![]()
通过对探伤不合集中发生的炉次进行多次取样分析，得出的结果基本与上述分析相同。针对点状缺陷，结合钢种冶炼工艺过程分析，存在的大型夹杂物是由于钢包渣卷入或脱氧合金化产物未完全上浮而滞留于钢液中。4Cr13 钢种合金含量高，精炼过程需加入大量的铬铁合金，过程升温幅度大，LF 处理时间远长于普通合金钢种，钢包耐材要承受高合金钢液的长时间冲刷侵蚀，高铝质耐材表层熔损剥落程度加剧，进入钢液后容易随浇注过程进入钢锭模中。同时，该钢种的部分炉次RH 工序合金加入量大，因合金加入形成的非金属夹杂物不能充分上浮，影响钢液纯净度和均匀度，最终影响钢锭（钢板）探伤合格率。 从上述分析可发现，探伤缺陷主要集中在钢锭（钢板）的头部和尾部，很少有整个板面探伤不合情况的发生。因此，可认为钢板头部探伤不合主要因为夹杂物未能完全上浮，而尾部探伤不合主要与钢锭凝固时产生结晶雨的沉降有关。 针对中心区域的线状缺陷，对探伤不合的钢板进行了轧薄试验，轧薄后重新进行探伤，却并未发现探伤不合缺陷，因此，可认为此类中心区域线状缺陷是由于钢锭形成了疏松或缩孔所导致。关于疏松的产生机理，从凝固过程看，由于传热的不均匀，使得钢锭柱状晶生长速率不一致，优先生长的柱状晶易在钢锭中心部位形成“搭桥”现象，导致钢液被阻隔，其在凝固收缩时无法及时获得上部钢液补缩，最终形成疏松结构。从溶质偏析角度分析，钢液中的C、S、P 等易偏析元素在固液相界上常以柱状晶析出，最终富集到凝固末端区域，由此也产生疏松。此外，当钢液中N、H 等元素含量过高时，随着钢液凝固温度的下降，溶解度逐渐减少，并以气体的形成析出，而析出的气体无法排出钢中时，则形成密集的气孔，从而造成疏松。 由此可见，疏松的影响因素有很多，实际生产过程往往是各种机理综合影响。具体到工艺控制过程，首先应控制浇注时的过热度，过热度过高易产生成分的偏析，而过热度越低越有利于等轴晶的形成和生长； 其次是控制二次冷却强度，当冷却强度过大时，钢锭表面温度减少，而中心温度变化不大，使得钢锭横断面上温度梯度增大，导致柱状晶增加而等轴晶比例降低，引起疏松加剧。 通过上述分析，针对本文4Cr13 生产工艺，钢锭中并未发现元素存在明显的偏析，也未发现钢中气泡缺陷，由此，可推断其疏松是由凝固过程钢液无法得到及时和充分的补缩所造成的。通过排查发现，由于4Cr13 钢模铸产线生产厚板钢起步较晚，前期没有开发与厚板生产相匹配的钢锭模，而是沿用适于生产热轧薄板用的BF20 锭型，而BF20 锭型具有上小下大的特点，极易导致钢液凝固末端由于不能获得充分的补缩而形成疏松或者二次缩孔。2.1 RH 处理改进
通过梳理4Cr13 冶炼各工序操作过程参数，发现部分炉次RH 工序合金加入量大，并且有补加铝合金操作，因此重点跟踪分析了炉次探伤合格率与RH 操作过程之间的关系。结果表明，炉次探伤合格率与RH合金加入量有较强相关性。由此，针对RH 工艺进行了调整，重点做好LF 处理终点钢液成份达标率管控，确保LF 处理终点主要合金成分达到目标值，严格控制RH 合金加入量，特别是限制补铝量。同时，适当延长钢液高真空时间以及RH 处理后软吹氩时间，进一步促进脱氧夹杂物的上浮。经过近三个月的跟踪对比，RH 工序合金加入量目标符合率由65.5%提升至98.5%以上，炉次探伤不合率由15.8%下降至6.5%，获得了显著改善，如图5 所示。![]()
为了验证锭型与钢锭疏松缩孔之间的关系，利用ProCast 软件模拟了BF20 与BV24 两种锭型浇注同钢种4Cr13 的钢液凝固情况，如图6 所示，图中A 和B 分别为BF20 与BV24 在浇注结束镇静240 min 时的凝固情况。由图6 可见，BF20 锭型存在两个凝固末端，BV24 锭型只有一个凝固末端。结合试样缺陷分析的结果与计算机凝固过程模拟，可以认为BF20 锭型并不适合生产模具钢等厚规格产品，而BV24 锭型更适合于4Cr13 等厚规格品种的生产，即BV24 锭型可以有效降低钢锭缩孔或疏松的发生率。![]()
根据上述疏松形成机理的分析，在确定浇注锭型后，钢锭的疏松程度基本取决于过热度和二次冷却强度。针对4Cr13 钢种，需选择合适的浇铸温度。浇铸温度高将增加中心疏松，温度过低易产生水口结瘤导致后期浇注困难，因此应选择温度中限，以保证钢液有足够的流动性来补充钢锭凝固中的体积收缩。钢锭中心致密度决定了中心疏松和偏析程度，而致密度主要取决于柱状晶与等轴晶比例，加速柱状晶向等轴晶的转化是改善中心致密度的有力措施。因此，降低二次冷却强度，延缓钢锭表面温度降低速率，使钢锭横断面上温度梯度减小，从而抑制柱状晶的生长，使等轴晶比例增大，从而改善疏松程度。 通过镇静时间对比实验，同一炉钢采用3 节台车浇注，每节台车浇注4 根钢锭，3节台车分别执行t（基准时间）、t+120 min、t+240 min 三种镇静时间，如图7 所示。对轧制后的钢板进行探伤，其中10 段对应钢锭头部，90 段对应钢锭尾部。![]()
从图7 发现，随着镇静时间延长，脱模开始时间自然相应延后。即，降低了钢锭横断面上温度梯度，进一步抑制了柱状晶的生长，使等轴晶比例增大，从而抑制中心疏松的发展，钢板合格率相应获得提高。 通过优化RH 处理工艺、采用BV24 锭模替换BF20 锭模、延长浇注后镇静时间，并经过为期一年多的现场验证实验，公司模铸产线生产的4Cr13 厚板钢探伤不合率得到了大幅度的下降，平均炉次探伤不合率由改进前的33.5%下降到改进后的4.5%，改进效果非常显著，取得了满意的效果。1）控制RH 合金加入量，同时适当延长高真空时间以及软吹氩时间，可以有效提高钢液纯净度，促进钢中大型夹杂物的上浮，显著降低因钢液夹杂引起的探伤不合率。
2）BV24 锭模可提供显著优于BF20 锭模的钢液补缩通道，从而有效抑制疏松及缩孔的发生。3）适当延长浇注后镇静时间，可以降低钢锭横断面上温度梯度，进一步抑制中心疏松的发展，进一步提高钢板探伤合格率。4）通过工艺改进，4Cr13 厚板钢探伤不合率从改进前的33.5%下降到改进后的4.5%，效果显著。文章来源于网络仅供参考，本平台对转载、分享、陈述、观点保持中立，目的仅在于传递更多信息，并不代表本平台赞同其观点和对其真实性负责。如发现政治性、事实性、技术性差错及版权问题等错误信息及涉及作品版权问题请及时联系我们删除，感谢支持！
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