大型板類鍛件心部缺陷數(shù)值模擬及改進(jìn)研究

陳 濤，戚翠芬，石永亮

（河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050091）

1 引言

大型自由鍛造設(shè)備是衡量一個國家工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志，其生產(chǎn)的大型鍛件在國民經(jīng)濟(jì)、國防裝備和現(xiàn)代尖端科技重大裝備中發(fā)揮著非常重要的作用[1]。相應(yīng)地，對大型鍛件內(nèi)部質(zhì)量的要求也越來越高。

對大型板類鍛件，有關(guān)文獻(xiàn)定義其尺寸待征是：L/B≥1，B/H≥1.3，H≥300mm，其中 L、B、H 分別為鍛件的長度、寬度、高度方向尺寸[2]。按照此定義，我們把模塊、軸承座、扇形板等產(chǎn)品鍛件歸入大型板類鍛件。對于這種大型板類鍛件，采用8MN水壓機(jī)進(jìn)行鍛造，之后經(jīng)超聲波探傷，發(fā)現(xiàn)對于高度大于200mm板類鍛件，時有不合格品產(chǎn)生，鍛件常見缺陷主要出現(xiàn)在鍛件中心部位，其分布示意圖如圖1所示。

圖1 大型板類鍛件缺陷位置與范圍示意圖

2 板類鍛件缺陷分析

經(jīng)過對缺陷件的分析，此類鍛件的缺陷主要有疏松、夾雜（嚴(yán)重時為夾雜性裂紋）和其他冶金缺陷、白點等。其中后兩類缺陷出現(xiàn)的幾率和數(shù)量較少，一般均因沒有嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)工藝規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和工藝文件等造成。因此通過加強(qiáng)工藝完整性及增強(qiáng)各級人員責(zé)任心、執(zhí)行力，可避免或減少這類缺陷產(chǎn)生。另據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料認(rèn)為，還存在一種內(nèi)部層狀裂紋缺陷[3]。

2.1 疏松缺陷產(chǎn)生原因分析

疏松缺陷較多出現(xiàn)在模塊、軸承座等寬厚板類鍛件中。這些鍛件尺寸L/B與B/H相對較小，高度H較大，其整體截面尺寸較大，如鍛造工藝不合理，可能因變形量不足導(dǎo)致鍛件不能鍛透，即鋼錠中的孔洞、疏松、粗大的樹枝晶等常見缺陷不能消除，造成超聲波探傷時超標(biāo)。為此，要求必須對該類鍛件進(jìn)行毛坯探傷，發(fā)現(xiàn)缺陷后制訂修復(fù)工藝。修復(fù)工藝主要是依據(jù)鍛件外形尺寸及缺陷性質(zhì)來對缺陷鍛件進(jìn)行改鍛：將經(jīng)過高溫保溫后的鍛件進(jìn)行鐓粗，采用滿砧、大壓下量拔長，變形示意圖如圖2所示。

圖2 寬厚板鍛件缺陷修復(fù)變形示意圖

近年來，已對多件Q345D、35CrMo材質(zhì)的軸承座和5CrNiMo材質(zhì)的模塊按此工藝原則進(jìn)行了成功修復(fù)，減少了廢品損失，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 夾雜缺陷形成機(jī)制分析

夾雜缺陷超聲波探傷超標(biāo)的情況也時有發(fā)生，嚴(yán)重時為夾雜性裂紋。有關(guān)文獻(xiàn)[4-5]認(rèn)為夾雜缺陷的形成機(jī)制為：塑性夾雜物在塑性變形過程中被壓扁，周圍產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變集中區(qū)，夾雜越扁應(yīng)力集中越大，越易使夾雜間基體斷裂，形成夾雜性裂紋，導(dǎo)致探傷超標(biāo)。板類鍛件鍛造過程中，在高度H方向的壓下量很大，夾雜物被壓扁的可能性較大，即成為片狀夾雜物；片狀夾雜物周圍存在著較大的應(yīng)力集中區(qū)，是形成鍛件內(nèi)部裂紋的潛在裂紋源。鍛件的外表層由鋼錠質(zhì)量較好的外層鍛成，夾雜物數(shù)量少，此外，剛性區(qū)的存在及受高度H方向的單向力遠(yuǎn)小于心部，夾雜物成為層片狀的可能性很小，所以外表一般不會出現(xiàn)夾雜性缺陷超標(biāo)的情況。同時，隨鍛造過程的進(jìn)行，板類鍛件端部溫度下降較快，繼續(xù)鍛造時，等同于對端部進(jìn)行了JTS鍛造法，即中心壓實法的鍛造，有利于心部缺陷的鍛合和改善心部夾雜物的形貌，因而，端部一般也不會出現(xiàn)此類缺陷。

此外，由于板類鍛件的這種尺寸關(guān)系，在鍛造過程中容易形成附加拉應(yīng)力。有文獻(xiàn)[6]從應(yīng)力應(yīng)變分析了裂紋產(chǎn)生的原因，認(rèn)為當(dāng)鍛造工藝執(zhí)行到沿板的寬度B方向壓下時，一般情況下不可能（很難）滿足不形成軸向拉應(yīng)力的砧寬比W/H（W/H應(yīng)控制在＞0.8～0.9），以及不形成橫向拉應(yīng)力的料寬比B/H（B/H應(yīng)控制在0.85～1.18）的要求，在變形體內(nèi)就會有雙向拉應(yīng)力存在，易在晶界或晶界薄弱處形成新的裂紋源。

3 板類鍛件夾雜缺陷修復(fù)工藝研究

板類鍛件心部存在夾雜超標(biāo)缺陷，其一與鋼錠的心部冶金質(zhì)量較差有關(guān)，其二與其自身的外觀尺寸特點和鍛造工藝本身特點等客觀因素也有一定關(guān)系。

鋼錠凝固過程完成后，其中夾雜含量不會改變，通過變形只能改善夾雜形狀及其分布，使其探傷不超標(biāo)，滿足使用性能要求。在塑性變形過程中，孔隙性缺陷焊合后，基體機(jī)械性能均勻，一般不會產(chǎn)生二次開裂[7]。

3.1 扇形板鍛件修復(fù)工藝對比研究

中冶陜壓重工設(shè)備公司曾生產(chǎn)過4件材質(zhì)為X22CrMoV121的扇形板，鍛件高度200mm、寬度550mm，重量1330kg，選用2t錠型。鍛造完成后，在毛坯探傷時發(fā)現(xiàn)心部有超標(biāo)缺陷，其位置與范圍如圖1所示。從超聲波波形分析認(rèn)為缺陷是由夾雜性超標(biāo)引起，同時可能存有夾雜性裂紋，因此修復(fù)工藝以改善夾雜形貌及焊合裂紋為目的。

上述4件扇形板已鍛成毛坯，余量較小，修復(fù)時變形量不大，所以考慮不再采用平砧而采用型砧。生產(chǎn)前先應(yīng)用Deform-3D軟件進(jìn)行模擬來預(yù)測工藝的可行性，模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 Deform-3D對圓弧型砧與平砧鍛造應(yīng)力數(shù)值模擬

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，在壓下量、變形溫度及變形速度等參數(shù)相同的情況下，圓弧型砧在鍛件心部形成的平均壓應(yīng)力遠(yuǎn)大于平砧（圖3c、d），所以認(rèn)為使用型砧修復(fù)缺陷的可能性較大。具體工藝方案為：鍛件高溫保持3h；采用上平砧、下圓弧型砧進(jìn)行修復(fù)鍛造，以形成有利于裂紋“愈合”的較大的三向壓應(yīng)力；鍛后退火。出爐后超聲波復(fù)檢合格。

3.2 板類鍛件平砧拔長模擬研究

對于內(nèi)部層狀裂紋缺陷，相關(guān)文獻(xiàn)[8]論述較為詳細(xì)：當(dāng)鍛造工具在與鍛件相接觸的表面上兩方向的尺寸都大大超過坯料高度時，致使坯料內(nèi)上下兩個剛性區(qū)相遇而產(chǎn)生剛性區(qū)內(nèi)部的層狀剛性滑動變形并導(dǎo)致撕裂。對此，利用Deform-3D軟件對平砧拔長板類鍛件進(jìn)行了數(shù)值模擬，剛性區(qū)隨壓下量的變化結(jié)果如圖4所示。

圖4 剛性區(qū)隨壓下量的變化

分析發(fā)現(xiàn)，兩剛性區(qū)直至變形量達(dá)70%時仍未相遇，剛性區(qū)的形狀和大小隨變形量的變化一直在變化；在整體發(fā)生塑性變形后，變形量達(dá)到35%時，上下兩剛性區(qū)最大。在壓下量增加的過程中，鍛件心部的剪切應(yīng)變值增大，剪切應(yīng)變區(qū)域也增加，這與有關(guān)文獻(xiàn)[6]論述相接近。所以對于板類鍛件，應(yīng)該是其心部形成的激烈的剪切應(yīng)力造成具有密集夾雜的鍛件產(chǎn)生分層，而不是剛性區(qū)相遇，在剛性區(qū)內(nèi)部產(chǎn)生層狀剛性滑動變形而導(dǎo)致撕裂。所以還是應(yīng)該安排合理的加熱工藝，使鍛件內(nèi)部裂紋處的孔洞被充分填充，內(nèi)部未完全被夾雜物分隔的內(nèi)裂紋缺陷在一定溫度下進(jìn)行修復(fù)，然后按壓實所需的變形量進(jìn)行終鍛變形及整形，壓實內(nèi)部仍存在的顯微孔洞并滿足鍛件要求。

4 結(jié)論

（1）利用數(shù)值模擬，分析了大型板類鍛件分層缺陷產(chǎn)生的原因，筆者認(rèn)為：不是大壓下造成的兩剛性區(qū)相遇，使剛性區(qū)內(nèi)部的層狀剛性滑動變形并導(dǎo)致撕裂，而是其心部形成的激烈的剪切應(yīng)力造成具有密集夾雜的鍛件產(chǎn)生分層。

（2）板類鍛件易產(chǎn)生心部缺陷，在制訂鍛造工藝時對工藝參數(shù)進(jìn)行校核；鍛件生產(chǎn)完成后必須進(jìn)行鍛件毛坯超聲波探傷，對探傷超標(biāo)鍛件修復(fù)，減少和避免鍛件廢品損失。

（3）利用數(shù)值模擬，制訂了大型板類鍛件修復(fù)工藝，達(dá)到了改善夾雜形貌及焊合裂紋的目的。

[1] 趙俊偉，陳學(xué)文，史宇麟.大型鍛件鍛造工藝及缺陷控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2009，44（4）.

[2] 劉國暉.大型板類鍛件的鍛造[J].鍛壓技術(shù)，2005，（2）.

[3] 曹起驤，韓靜濤.大型管板鍛件夾雜性裂紋形成機(jī)理探討[J].塑性工程學(xué)報，1994，（1）.

[4] 馬慶賢，鐘約先，曹起驤.大型鍛件夾雜性缺陷的形成及控制鍛造工藝[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2000，40（5）.

[5] 李醇喜.不銹鋼鍛件的缺陷及防止措施[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，1988，23（3）.

[6] 劉助柏.平砧拔長矩形截面毛坯的新理論[J].機(jī)械工程學(xué)報，1994，30（5）.

[7] 張瑞碧.大型自由鍛件的RST效應(yīng)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，1999，12（2）.

[8] 馬慶賢，曹起驤.大型餅類鍛件變形規(guī)律及夾雜性裂紋產(chǎn)生過程研究[J].塑性工程學(xué)報，1994，3.