鞍鋼9SiCr高碳高合金過共析鋼生產實踐

張吉富，楊玉，劉祥，何士國

（1.鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口115007；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

9SiCr是典型的高碳高合金工具鋼，由于碳、硅和鉻含量高，該鋼的淬透性、淬硬性以及回火穩定性好，常用于制造形狀復雜、變形要求小、耐磨性高的低速切削刃具、冷作模具等。由于碳和合金含量高，鋼水易偏析，冶煉難度大，鋼板強度高，寬帶軋制難度大。因此，目前普遍采用電爐冶煉，窄帶軋制的工藝生產9SiCr帶板。市場上9SiCr卷板的寬度一般不超過500 mm。受寬度規格的限制，加工成材率低，制約了該鋼種的應用推廣。2014年鞍鋼開始著手開發寬度1 000～1 200 mm的9SiCr熱軋卷板，目前已形成穩定的生產工藝，文中對此加以介紹。

1　試驗方法

1.1　生產工藝路徑

鞍鋼9SiCr鋼板的生產工藝如下:鐵水預處理→轉爐冶煉→爐外精煉→板坯連鑄→熱送→加熱→軋制→層流冷卻→卷取→檢驗→入庫。

1.2　冶煉

采用250 t轉爐冶煉，LF+RH精煉工藝，以保證鋼質純凈。1450鑄機拉坯，鑄坯厚200 mm、寬1 120 mm、長 10.7 m。

1.3　連鑄矯直溫度的確定

為解決鑄坯開裂問題，制定合理的連鑄工藝，利用試驗室冶煉的9SiCr鋼錠，在試驗室GLEEBLE-3800熱模擬機上測定其熱塑性曲線，以確定連鑄矯直溫度。在真空狀態下將試樣以10°C/s的速度升溫到1 320°C，保溫3 min后，以3°C/s降溫到溫度T，在溫度T保溫2 min后，拉伸試樣，測得拉伸過程中最大力值，計算拉斷試樣的斷面收縮率，并畫出熱塑性曲線，見圖1。

圖1　9SiCr熱塑性曲線

由圖1可見，9SiCr鋼的熱塑性低谷點為900℃左右，因此，連鑄拉坯矯直時要盡量避開熱塑性低谷區。

1.4　熱軋工藝

1.4.1加熱工藝

試驗共軋制9SiCr板坯13塊，成品卷寬度為1 100 mm，厚度為3.0～6.0 mm。采用中、高溫加熱，目標加熱出鋼溫度1 250℃。為減輕鑄坯表面脫碳，加熱爐內采用弱還原性氣氛；為控制鑄坯加熱過程中出現斷裂風險，采用緩慢加熱模式。

1.4.2軋制工藝

采用13道次軋制，粗軋采用“3+3”工藝，精軋采用7道次軋制。加熱爐后的高壓水除鱗機布有雙排除鱗集管，粗軋入口采用“2+1”高壓水除鱗模式，爐后除鱗及粗軋第一道次入口除鱗壓力需18 MPa以上，以保證表面質量。由于高碳鋼脆性大[1]，因此采用高溫軋制，高溫卷取的生產工藝[2]，目標終軋溫度 950 ℃。

1.4.3冷卻與卷取工藝

帶鋼出精軋機后，立即進入層流冷卻裝置，合理調節層流冷卻集管分布及側噴角度，防止因急冷及板面積水造成的帶鋼邊部應力開裂，目標卷取溫度750℃。生產過程終軋溫度和卷取溫度控制情況見圖2。

圖2　9SiCr工藝參數控制情況

2　試驗結果與分析

2.1　鑄坯質量評價

連鑄坯頭下線冷卻后，取200 mm×60 mm×1 050 mm鑄坯試樣，分切成200 mm×60 mm×350 mm三塊，磨制橫斷面，在熱鹽酸溶液中侵蝕20 min，清洗觀察其橫斷面低倍組織，低倍評級結果見表1。

低倍組織形貌見圖3。從圖中可見，雖然鋼中碳和合金含量高，但經轉爐冶煉，爐外精煉以及連鑄后，鑄坯未見明顯偏析和嚴重裂紋，鑄坯質量良好。在不同位置取樣，進行成分偏析檢測，見表2。

表1　低倍評級結果

圖3　鑄坯低倍組織形貌

表2　鑄坯成分偏析（質量分數） %

2.2　鋼板質量評價

試驗鋼卷冷卻到室溫后，在距卷尾6 m處取鋼板試樣，鉆削樣用化學法檢測鋼板實際化學成分，按GB/T2975-1998標準，取拉伸試樣和硬度試樣；按GB/T228標準，檢驗拉伸性能，按GB/T230.1檢驗表面硬度。同時，取15 mm×15 mm×6 mm金相試樣，在光學顯微鏡下觀察組織形貌。

2.2.1化學成分

鋼板實際化學成分和標準要求見表3。化學成分完全滿足國家標準要求。

表3　9SiCr的化學成分（質量分數） %

2.2.2力學性能

試驗鋼卷冷卻到室溫后，在距卷尾6 m、板寬1/4處取25 mm×380 mm×6 mm常規板拉伸試樣8塊，檢測試制鋼板的力學性能見圖4。

由圖4可見，屈服強度平均值為719 MPa、最小值為681 MPa、最大值為786 MPa；抗拉強度平均值為1 261 MPa、最小值為1 184 MPa、最大值為1 367 MPa；延伸率平均值為8.3%、最小值為7.4%、最大值為 9.8%；硬度平均值為 29（HRC）、最 小值為 26（HRC）、最大值為 31（HRC）。

圖4　9SiCr熱軋板力學性能

2.2.3顯微組織與表面脫碳

試驗鋼卷冷卻到室溫后，在距卷尾6 m處取15 mm×15 mm×6 mm金相試樣，磨制拋光橫斷面，用4%硝酸酒精侵蝕，在光學顯微鏡下觀察顯微組織和上下表面脫碳層形貌，測量脫碳層深度。組織全部為細片層狀珠光體組織。各試樣表面存在不同程度全脫碳，全脫碳層最深為0.03 mm，滿足標準和使用要求，顯微組織和脫碳形貌見圖5。

圖5　組織形貌

2.2.4熱處理性能

取50 mm×50 mm×5 mm鋼板試樣兩塊，分別隨爐加熱到920℃及860℃[3]，保溫 50 min，出爐油淬，冷卻后在磨床上磨制上下表面后，按GB/T230.1標準檢測表面硬度，每塊試樣檢測3點硬度，結果見表4。隨爐加熱到920℃的1#試樣淬火后平均硬度為64.29（HRC）；隨爐加熱到 860℃的2#試樣淬火后平均硬度為62.69（HRC），兩塊試樣硬度值均滿足標準要求 （油淬后硬度≥62（HRC））。加熱溫度較高時，硬度略高，耐磨性會更好[4]。兩塊試樣組織均為馬氏體組織，但920℃油淬后組織更細小均勻，組織形貌見圖6。

表4　9SiCr淬火硬度

圖6　9SiCr淬火組織形貌

2.3　討論與分析

9SiCr屬高碳高合金工具鋼，脆性大，連鑄坯下線后，易出表面裂紋缺陷。鑄坯表面裂紋的形成主要與連鑄冷卻工藝有關。冷卻速度過大，或立彎式鑄機鑄坯矯直溫度控制不當均易導致鑄坯裂紋。工業試制冶煉試驗前，利用實驗室冶煉的9SiCr鋼錠，在實驗室GLEEBLE-3800熱模擬機上測定了9SiCr的熱塑性曲線，測得9SiCr鋼的熱塑性低谷點，即脆性轉變區分別為1 050℃和900℃，因此，在試制生產時，要嚴格控制鑄坯矯直溫度區間，避開脆性溫度區，特別是第二脆性溫度區。低倍試驗結果證明，按上述冶煉工藝得到的高碳高合金9SiCr鑄坯質量良好，鑄坯角裂、三角區裂紋為0.5級、中間裂紋為1級、未出現明顯長裂紋，且未見明顯偏析。

9SiCr屬過共析鋼，加熱過程控制不當，易形成先析網狀二次滲碳體，降低鋼的韌塑性，熱軋板加工成形過程控制不當易出現開裂等缺陷。二次滲碳體是過共析奧氏體在高溫區慢冷時形成的。因此在9SiCr熱卷生產過程中，要嚴格控制終軋溫度，卷取溫度及冷卻速度，抑制先析二次滲碳體的析出。本試驗終軋溫度為950℃，卷取溫度為750℃，得到的鋼板組織為片層狀珠光體，未見二次滲碳體等其他組織。鋼中珠光體含量越多，強度越高，同時滲碳體和鐵素體界面增多，提供了更多的裂紋形核點，韌塑性降低[5]。試驗生產出的9SiCr熱軋鋼板組織全部為珠光體，屈服強度最小為681 MPa，抗拉強度最小為1 184 MPa，平均硬度為29（HRC），延伸率最大為9.8%。可見，9SiCr鋼板具有高強硬性，低韌塑形，由于這類高碳工具鋼熱軋板不進行彎曲加工，因此并不影響用戶使用。

9SiCr鋼碳含量達0.9%以上，鑄坯加熱工藝不當，表面容易氧化脫碳，導致鋼板熱處理后硬度不均。隨爐加熱到920℃的1#試樣淬火后平均硬度為 64.29（HRC），三點硬度最大相差 0.40（HRC）；隨爐加熱到860℃的2#試樣淬火后平均硬度為62.69（HRC），三點硬度最大相差 0.54（HRC）。 兩種不同淬火制度的鋼板試樣硬度值均滿足標準要求，且鋼板試樣的三點最大硬度差分別為0.4（HRC）和0.54（HRC），三點硬度差均較小，說明鑄坯加熱制度和軋制制度合理，表面氧化脫碳不嚴重。淬火溫度高的試樣硬度大于淬火溫度低的試樣。同一種材料，淬火后硬度主要與淬火過程中的冷卻速度有關，920℃油淬試樣的冷卻速度大于860℃油淬試樣的冷卻速度，因此，920℃油淬試樣淬火后形成的馬氏體組織相對細小，硬度值偏高。

3　結論

（1）鞍鋼采用轉爐冶煉→爐外精煉→1580機組軋制的工藝路線，克服了高碳鋼鑄坯易開裂、鋼板表面易脫碳、軋制負荷大、工藝冷卻窗口窄等一系列困難，成功研制開發出高碳高合金工具鋼9SiCr熱軋卷板。

（2）高碳高合金工具鋼9SiCr熱軋卷板雖然C、Si、Cr含量高，但鑄坯無明顯偏析，鋼板化學成分、脫碳層深度，熱處理后硬度等技術指標完全滿足相關標準的要求，目前已形成穩定生產工藝，替代窄帶鋼在刃具及工具加工行業的應用，效果良好。

（3）9SiCr熱軋卷板開發成功，對鞍鋼高碳鋼熱軋卷板的市場開發具有重要意義，為研制各類高碳合金工具鋼和模具鋼等特鋼產品奠定了基礎。