模具钢探伤不合原因分析及改进措施

随着石油化工的发展与进步，塑料与钢铁、木材、水泥一起构成现代社会的四大基础材料。大部分塑料制品采用模具一次冲压成型，模具形状复杂，成品要求高，因此对模具钢种的精度、硬度、耐蚀性、耐高温性、表面粗糙度、加工性等性能提出了非常高的要求，选用合适的模具钢对于提高塑料成品质量、模具使用寿命以及模具耐蚀性具有重要意义。塑料模具钢主要分为：预硬型塑料模具钢、易切削预硬钢、时效硬化型塑料模具钢、冷挤压成型塑料模具钢等，其中预硬型塑料模具钢的使用更为广泛，2311、718H等钢种是目前预硬型塑料模具钢生产量最多的品种。

      某钢厂在生产2311模具钢时存在探伤合格率较低的问题，其中主要以170~200 mm厚轧制规格的钢板存在探伤不合的情况。缺陷主要分布在钢板1/2处心部、上表面边部400~500 mm位置内，表现为整板点状密集性缺陷，根据经验判断初步认定为疏松缺陷。为提升厚板模具钢的探伤质量，对2311模具钢低倍心部位置及200 mm厚规格2311模具钢板探伤不合位置取样分析，探究2311模具钢板探伤不合原因，并对厚板2311模具钢工艺提出改进方案。

     2311模具钢生产工艺包括炼钢工艺和初轧工艺过程，具体为：（铁水预处理）→转炉→LF炉→VD（RH）炉→连铸（450断面厚板）→堆冷→板坯检查→加热→5000mm轧机轧制→钢板表面检查→（正火）＋回火→钢板检查，坯料规格为450mm×（2000~2400）mm×（3000~4000）mm，轧制规格为（170~251）mm×2200 mm×（6000~8000）mm。2311模具钢化学成分见表1。

      对探伤不合格2311模具钢进行超声波复探和缺陷准确定位。超声波探伤主要是利用超声波在不同介质中透射率、反射率的差异，通过其反映在探伤示波仪上的波形来判断钢板内部质量的一种无损检测方法。该厂某次冶炼1个浇次450 mm×2070 mm断面2311模具钢，轧制厚度为200 mm，模具钢板心部探伤不合缺陷波形图见图1。图1显示该缺陷深度98.5 mm，探伤缺陷描述为：上下板边300~600 mm的范围内存在点状密集性缺陷，波高10%~30%。后续对钢板进行缺陷定位，在探伤不合格位置取金相、拉伸试样进行分析。

3.2 探伤不合位置金相分析

     对金相试样进行打磨及抛光，使用4%硝酸酒精腐蚀后进行金相分析，探伤不合钢板心部缺陷金相照片见图2。图2显示：钢板的心部位置存在大小不一的疏松团，孔径在200~300 μm左右，最大分布尺寸达1.7 mm，见图2（a）；腐蚀后可看到模具钢心部金相组织，深色基体组织为回火贝氏体组织［5-6］，浅色组织则为马氏体，分布在疏松周围，该疏松区域为铸坯心部的糊状区最后凝固后所产生的显微疏松和显微偏析，见图2（b）。

3.3 厚度拉伸分析

    对缺陷钢板探伤不合格处进行厚度方向拉伸试验，Z向拉伸断口宏观形貌见图3。图3显示：拉伸断口几乎无收缩，为脆性断口。对断口进行扫描电镜（SEM）观察，Z向拉伸断口SEM照片见图4。从图4可看到：断口处呈解理断裂特征，在断口附近有部分疏松孔洞，周边晶粒呈现为无钢水补缩时形成的卵形晶粒。

      综上分析：钢板存在严重的心部疏松，且轧制过程中疏松未轧合是导致模具钢探伤不合的主要原因。

3.4 板坯低倍及中心疏松分析

     对对应不合格钢板浇次板坯进行低倍取样分析，按照GB/T 4236—2016《钢的硫印检验方法》对低倍试样进行酸洗后观察其低倍形貌，模具钢低倍实物图片见图5。图5显示：铸坯低倍心部组织为密集点状等轴晶，整体控制水平较好。对该低倍心部位置取金相样分析，经打磨及抛光后，用4% 硝酸酒精腐蚀10~15 s，模具钢板坯中心疏松金相分析见图6。图6显示：心部存在500~700 μm左右的显微疏松，沿缩松分布浅色马氏体相。即铸坯在浇注成型后心部本身便自带缩松缺陷，为后续轧制成型及探伤合格带来一定困难。

3.5 探伤不合原因分析

    对探伤不合钢板以及铸坯低倍进行分析：低倍总体偏析情况良好，但心部二分之一处存在大小不一的显微疏松，钢板探伤结果中金相分析及Z向性能拉伸结果也表明，钢板心部二分之一处存在未轧合的疏松缺陷，即铸坯显微疏松为模具钢探伤不合的主要原因。厚板模具钢在轧制过程中，由于铸坯及轧制厚度不同，轧制工艺不合理也会导致心部压缩效率不足，轧制穿透力不够，最终未弥补铸坯心部疏松孔洞而导致探伤不合。

      厚板铸坯疏松形成的主要机理之一是溶质元素析出富集理论，即钢液在结晶生长过程中，钢液凝固前受选分结晶特性影响，固相溶质元素含量低于液相溶质元素，C、P、S、Mn、Si 等溶质元素排出固相， 由于凝固收缩又使得富集溶质元素的钢液不断向铸坯心附近补充并凝固，在温度降低至一定程度后，糊状区晶粒逐渐长大、接触，封死剩余糊状区，由于晶界中剩余液相得不到外部液相补缩，受液相收缩及凝固收缩影响，最终在晶界处留下显微疏松。

      相较于普通中厚板来说，特厚板为了保证表面质量与内部质量的平衡，拉速更慢，冷却更弱，每单位长度铸坯所含热量更高，铸坯散热的温度梯度也随之更加平缓。根据Niyama规则：在铸坯凝固过程中，疏松缩孔形成的临界值与温度梯度成正比，与冷却速率的平方根成反比。因此特厚板更易出现心部缩松、缩孔的缺陷。

      此外，轧制工艺对缩松缩孔的焊合也有一定帮助。在轧制相同厚度下，大压下规程时缩孔所受的应力比正常压下和轻压下规程时所受的应力要大。另外，缩孔越早开始闭合，那么闭合的孔洞就会承受更长时间的压力，保压时间越长扩散等焊合机制越强，所以轧制时应多采用大压缩比，且保障总压下比能明显改善疏松情况。

1） 确定最佳压下参数。在同一浇次使用3种不同的压下工艺，分别为均匀压下（工艺一）、重压下（工艺二）及末端压下（工艺三）。均匀压下考虑逐步补偿液相收缩及凝固收缩，重压下考虑利用重压下压合凝固后的中心疏松，末端压下只考虑凝固后的中心疏松压下，三种压下工艺参数及效果见表2。表2显示： 工艺一、二、三生产的铸坯轧制厚板2311模具钢探伤合格率分别为95%、83%、56%。取低倍样及在低倍中心处取金相样进行显微组织观察，三种压下工艺生产板坯芯部金相照片见图7。图7显示：工艺一以心部疏松以弥散分布为主，大部分尺寸在100 μm以下，无明显大面积偏析及疏松产生；工艺二以心部局部疏松呈团簇状，尺寸0.5~2.0 mm，以及疏松处伴随着一定量的局部微观偏析；工艺三以心部局部疏松呈团簇状，尺寸3.4 mm及以上，疏松处伴随着严重的微观偏析。

      结合溶质元素析出富集理论，均匀压下可以有效排出铸坯心部中富集溶质元素的钢液，使其避免或减少形成糊状区，即可减少中心疏松的大小及改善其分布情况，其他两种工艺的疏松孔洞直径及分布区域明显次于工艺一，重压下无法完全压合中心疏松，需配合轻压下进行使用。因此均匀压下工艺优于其他两种工艺，后续浇次也采用工艺一。

2） 延长板坯加热时间。由于为450mm 断面特厚板，因此相对于中厚板来说热量更难传递到铸坯心部，低的加热时间会使得铸坯心部温度未达到需要温度或者保温时间不足，从而使得心部强塑性弱于外表面，轧制时轧制力更加难以传递到心部，最终使得心部轧制不合。

      由于坯料长宽度方向远大于厚度方向，将长宽度方向假设为无限大，以铸坯中心位置建立厚度方向的一维非稳态传热模型，考虑到实际加热模式为分阶段加热，设置温度800℃加热6小时，1200 ℃加热15小时，设置ATLAB模拟初始物性参数如表3所示。

      根据杨能彪所述建立一维非稳态导热模型后，利用MATLAB计算可得铸坯心部温度曲线，一维非稳态传热MATLAB软件计算结果见图8。图8显示：在加热约8小时后，铸坯心部温度即可达1100 ℃以上，由于该计算过程只是将模具钢坯料加热过程简化为一维非稳态传热过程，而实际传热过程为包含对流传热、辐射传热的三维非稳态传热过程，铸坯表面温度不可能一开始便为恒定温度，而是一个缓慢升温的过程，实际传热过程更为复杂。此外还未考虑到铸坯加热过程中的相变潜热对传热过程的影响，因此将实际加热时间延长至12小时以上。延长加热时间之后，厚板模具探伤合格率进一步提升至98%。