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實現(xiàn)大型鍛件質(zhì)量控制應(yīng)滿足的鍛造工藝條件
作者：admin
發(fā)布時間：24-01-11
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大型鍛件的質(zhì)量主要表現(xiàn)在純凈性、均勻性和致密性三方面，其中任一項不足都會影響產(chǎn)品質(zhì)量，而形成缺陷。大型鍛件的內(nèi)部質(zhì)量要求很高，不僅要求做機械性能和晶粒度檢驗，而且要求做超聲波探傷檢查。當(dāng)缺陷超過限度，不能滿足技術(shù)條件要求時，致使產(chǎn)品報廢。因此，控制缺陷的超標(biāo)是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。對大型鍛件的熱塑性加工過程進行科學(xué)控制，消除鍛件中的缺陷，保證良好的組織和性能，獲得優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品是控制鍛造的目標(biāo)。
生產(chǎn)大型鍛件用的鋼錠內(nèi)部一般存在著三類原始缺陷，即孔洞類缺陷、固體類缺陷和氣體類缺陷 。針對上述不同形式的缺陷，綜合研究鍛造過程中大型鍛件變形規(guī)律、夾雜行為、內(nèi)部缺陷及其損傷發(fā)展過程和材料高溫力學(xué)性能，系統(tǒng)分析有效壓實孔洞性缺陷、合適的變形量范圍、控制變形載荷、變形速度、變形溫度以及采用合理的工、輔具等綜合影響效果，提出實現(xiàn)大型鍛件鍛造質(zhì)量控制應(yīng)滿足的工藝條件。
1.大型鋼錠內(nèi)部主要缺陷及鍛造特點
大型鋼錠在注錠、凝固過程中，由于其本身特性鋼錠內(nèi)部不可避免的產(chǎn)生缺陷，其主要存在形式如表1所示。
綜合研究結(jié)果和生產(chǎn)實踐證明，良好的鍛造工藝可以消除或改善鋼錠中大部分原始缺陷。在鍛造過程中，材料內(nèi)部孔洞型缺陷的變化存在二重性，表現(xiàn)為缺陷在外力作用下既有可能擴展，又有可能在高溫擴散、再結(jié)晶的作用下逐漸減小、焊合，甚至已出現(xiàn)的缺陷還可重新修復(fù)，并且強度不會降低，而其具體成因條件目前尚未見過有關(guān)報導(dǎo)。因此，制定大型鍛件鍛造工藝時應(yīng)保證有效地消除孔洞型缺陷，防止缺陷損傷發(fā)生，還可用于修復(fù)已生產(chǎn)或使用報廢的產(chǎn)品。對于固體型缺陷，鑄態(tài)粗晶可以通過變形細化并重結(jié)晶，析出物可以被打碎而彌散并作為形核基等。塑性夾雜、偏析和異金屬可通過鍛造使其形貌合理。合理的鍛造工藝可以避免產(chǎn)生混晶和消除夾雜邊緣的裂紋。對于氣體型缺陷，一方面可以在高溫變形及重新加熱過程中部分擴散溢出，另一方面則靠恰當(dāng)?shù)腻懞鬅崽幚韥砀纳?。在鍛件?nèi)部，雖然氣體含量極少，但是氣體原子可向微孔洞等缺陷處“富集”，致使氫害形成。因此，通過鍛造減少孔洞型缺陷，使固體型缺陷改變形貌及分布合理，則可增加基體材料對氫致裂紋的抵抗能力。
2.制定質(zhì)量控制鍛造工藝應(yīng)滿足的條件
大型鍛件最常用的成形工序是鐓粗和拔長。針對大型鍛件的鍛造特性，研究表明影響其質(zhì)量的工藝要素如下：
2.1 有效壓實孔洞，防止缺陷損傷發(fā)生
鐓粗體子午面上變形區(qū)分布如圖1所示，拔長工藝試件內(nèi)部變形區(qū)分布如圖2所示。其共同特點是：在正常變形條件下，難變形區(qū)的形狀和大小基本不變化，變形集中于心部，在難變形區(qū)和變形區(qū)交界處，形成了一狹窄的剪切梯度帶。與砧面接觸的難變形區(qū)中的孔洞型缺陷在單一鐓粗和拔長工序中無法閉合，必須依靠其它工序來消除。鐓粗和拔長工序的合理匹配，是保證消除孔洞型缺陷的有效手段。但是，單一工序變形量并非越大越好。圖3為含有夾雜的鐓粗試件子午面的云紋圖。由圖可知，缺陷周圍存在著較大的應(yīng)力集中。當(dāng)變形量增大時，缺陷間的局部應(yīng)力集中急劇增大，非常容易引起缺陷損傷發(fā)生，生成新的裂紋 試驗得出鐓粗變形時應(yīng)保證高徑比H／D>0.6，拔長變形時高砧比H／>0.58為宜。
圖4中，0～ε1為變形初始階段，通過變形可使鋼錠中的孔洞、疏松和硬性夾雜邊緣的裂紋控制為最??；ε1～ε2為建議選擇的鍛造工作范圍；ε2～ε3范圍內(nèi)，塑性夾雜被壓成片狀，在夾雜邊緣產(chǎn)生裂紋；ε3～ε4區(qū)間，塑性夾雜被擠入裂紋并使夾雜相連、聚合，致使探傷超標(biāo)ε4～ε5范圍，夾雜被壓成幾段，可作為報廢品改鍛的補救工作范圍；應(yīng)變量再增大，大于ε5超過材料變形極限，基體將斷裂。
由于鋼錠情況和變形工藝等不同，圖4中各階段所需的應(yīng)變量相差較大，該圖定性描述了消除材料內(nèi)部缺陷的工作范圍。雖然許多因素如應(yīng)力、應(yīng)變速率等都影響著ε1～ε5之值，但其規(guī)律是一致的。對于某一特定工藝，可通過實驗確定各階段的應(yīng)變值范圍，根據(jù)其具體工藝目的要求，選擇應(yīng)變量。
2.3 控制最大載荷，保證變形方式不變化
在鐓粗和拔長工藝中，控制初始應(yīng)變速率小于0.0001S-1，其變形載荷P與壓下距離S之間的關(guān)系如圖5所示。由圖可知，Ⅰ區(qū)變形初始為理想彈性變形，載荷與變形按比例增加；Ⅱ區(qū)變形處于穩(wěn)定流動狀態(tài)，載荷基本保持恒定；Ⅲ區(qū)載荷逐漸增大，此時試件與砧面接觸面積逐漸變大；Ⅳ區(qū)載荷急劇增大，這是由于試件內(nèi)部變形方式發(fā)生了變化，即由壓縮變形為主轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟凶冃危蠖嗳毕菰诖朔秶a(chǎn)生。鐓粗和拔長壓下率越大，變形分布越不均勻。因此，制定工藝時需控制變形最大荷載，使其比正常塑性流動所加載荷稍大即可。
2.4 壓機速度的制定應(yīng)兼顧質(zhì)量與效率
鍛壓機械的加載速度直接影響著砧面與工件之間的摩擦狀況，關(guān)系著晶粒組織在變形過程中能否完成再結(jié)晶，因而影響著材料內(nèi)部變形方式和載荷大小。在同樣溫度、變形量、同種材料等條件下，鍛錘與液壓機鐓粗試件子午面變形區(qū)分布如圖6所示。由圖可知，壓下速度快的鍛錘鐓粗試件，其心部變形區(qū)面積小，與砧面接觸的難變形區(qū)面積大，二區(qū)之間剪切梯度加劇。
在鍛壓生產(chǎn)中，壓下速率慢、成形效率低，變形較均勻。壓下速度快，變形不均勻，特別是Ⅰ 、Ⅱ區(qū)交界處速度梯度更加明顯，形成了所謂的“剪切帶”，材料易出現(xiàn)加工硬化。對含有夾雜、孔洞等缺陷的非均質(zhì)材料，在二相界面由于變形能力不同，很容易導(dǎo)致應(yīng)力集中，加之鍛件金屬組織不易充分再結(jié)晶，因此交界處非常容易形成剪切裂紋，致使局部破壞。因此，在制定工藝時，變形速度的選取應(yīng)避免變形體內(nèi)部形成激烈剪切帶。
2.5 溫度范圍的選取應(yīng)關(guān)注局部溫度變化
溫度是影響組織變化、裂紋產(chǎn)生方式的重要因素之一。高溫變形過程中，裂紋產(chǎn)生有三種類型：(1)夾雜處基體形成孔洞，孔洞長大，直至匯合；(2)夾雜與基體脫開形成孔洞，然后沿其界面擴展到基體，直至斷裂。(3)裂紋萌生于晶界，并沿晶擴展，直至斷裂。溫度高裂紋萌生早但不易擴展，溫度低裂紋萌生晚但易擴展。導(dǎo)致上述現(xiàn)象的原因是由于溫度變化，夾雜和基體材料的變形性能改變。
由于變形能的大部分將轉(zhuǎn)化為熱能，致使變形體溫度升高，特別是由于變形不均勻，局部溫度升高過大，高溫區(qū)萌生的裂紋極易在低溫區(qū)中擴展，導(dǎo)致材料發(fā)生損傷，對產(chǎn)品質(zhì)量帶來巨大隱患。制定工藝時，不僅要考慮合理的始、終鍛溫度，而且應(yīng)充分考慮由于變形致使局部溫度劇烈升高引起的不良后果。
2.6 “合適” 的工、輔具
使用合適的工、輔具不僅可提高成形效率，而且可提高成形質(zhì)量。例如，鐓粗過程中，使用凹砧、平砧、凸砧，材料內(nèi)部變形分布規(guī)律相差甚遠。在生產(chǎn)餅類件時，終鍛成形時采用套圈鐓粗，不僅外觀質(zhì)量好，而且可提高產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量。但是，使用工、輔具時應(yīng)防止重成形而忽視了對鍛件內(nèi)部質(zhì)量的影響。如使用馬杠擴孔，變形量過大易引起內(nèi)部缺陷損傷。
3.生產(chǎn)性考證
根據(jù)上述質(zhì)量控制思想制定的鍛造工藝已用于第一重型機械集團公司生產(chǎn)300MW核電特大型管板，西安重型機器廠生產(chǎn)模塊等大型鍛件，取得了巨大成功，效果顯著。
4.結(jié)論
影響大型鍛件產(chǎn)品質(zhì)量的因素眾多，組織大型鍛件的生產(chǎn)是一復(fù)雜的系統(tǒng)工程。要得到合格的大型鍛件產(chǎn)品，應(yīng)同時滿足上述條件。目前其有效途徑是通過計算機綜合分析，比較各影響因素，有效地排除各種隱患，制定獲得較好綜合效果的生產(chǎn)工藝。
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