文／孫明月，徐斌，李殿中·中國科學(xué)院金屬研究所

鋼錠內(nèi)部孔洞缺陷愈合規(guī)律研究及創(chuàng)新工藝開發(fā)（上）

文／孫明月，徐斌，李殿中·中國科學(xué)院金屬研究所

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速穩(wěn)定的發(fā)展，能源電力、冶金機(jī)械等行業(yè)需要越來越多高質(zhì)量大型鍛件。大型鍛件的基礎(chǔ)是大型鋼錠，然而由于金屬的凝固收縮，大型鋼錠內(nèi)部不可避免地產(chǎn)生縮孔、疏松、氣孔等孔洞型缺陷，必須通過有效的鍛造工藝將這些缺陷去除，以獲得優(yōu)質(zhì)的大型鍛件。圖1是100t鋼錠解剖結(jié)果，通過解剖結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在鋼錠中心存在非常嚴(yán)重的縮孔疏松缺陷。在鍛造過程中如果不能使其完全愈合將導(dǎo)致嚴(yán)重后果。

孔洞型缺陷的愈合過程包含2個階段：孔洞閉合和閉合界面的焊合。在鍛造過程中，鋼錠心部的孔洞型缺陷必須首先閉合，才能進(jìn)一步焊合。因此研究孔洞在何種條件下可以完全閉合對于消除孔洞型缺陷有非常重要的意義。

鍛造過程包含鐓粗和拔長過程，通常采用多次鐓粗拔長工藝以提高鍛件心部質(zhì)量。人們提出WHF、FM 和 JTS等鍛造方法以提高鍛件心部應(yīng)變。針對這些鍛造方法應(yīng)該采用的砧寬比、砧形、錯砧方法以及壓下量等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究以優(yōu)化自由鍛工藝，有效愈合軸線疏松。

圖1 100t核電轉(zhuǎn)子用鋼錠內(nèi)部缺陷的實際解剖照片

表1 6Cr2MnMoV化學(xué)成分

孔洞閉合過程的有限元模型與模擬方案

采用支承輥用材料6Cr2MnMoV，其化學(xué)成分如表1所示，測量了該鋼種的熱物性參數(shù)和高溫應(yīng)力應(yīng)變曲線，并將材料參數(shù)應(yīng)用在模擬過程中。

本研究采用DEFORM-2D軟件對含孔洞試樣的鐓粗過程進(jìn)行模擬。試樣尺寸為φ300mm×400mm，試樣高徑比約為1.33(在試樣高徑比對孔洞閉合影響的研究中，試樣高度按需要取值)。缺陷位于試樣中心部位，按照需要設(shè)計不同尺寸、不同外形的球形或橢球形孔洞。為了更準(zhǔn)確地模擬孔洞的變形情況和孔洞周圍的應(yīng)力、應(yīng)變變化情況，對孔洞周圍區(qū)域進(jìn)行局部細(xì)化，整個模型包含約2萬個單元。

在模擬過程中考慮了試樣與模具之間的傳熱。試樣初始溫度為1200℃，模具初始溫度為20℃，試樣與模具之間的熱交換系數(shù)為11000W/(m2·K)。上模具以10mm/s的恒定速率下壓，試樣的應(yīng)變速率約為0.025s-1。為了系統(tǒng)地研究各種因素對孔洞閉合的影響，將可能影響孔洞閉合的因素分為外在因素和內(nèi)在因素。外在因素是指與孔洞本身無關(guān)的因素，包括變形溫度、應(yīng)變速率、摩擦系數(shù)、試樣高徑比和試樣尺寸。內(nèi)在因素是指與孔洞本身相關(guān)的因素，包括孔洞位置、孔洞尺寸和孔洞形狀。其中孔洞尺寸和試樣尺寸對洞孔閉合的影響是近似等效的，在其他因素相同的條件下，當(dāng)孔洞占試樣的體積分?jǐn)?shù)一定時，孔洞的閉合過程也基本一致，因此在本工作中不研究試樣尺寸對孔洞閉合的影響，而僅研究孔洞尺寸的影響。在研究某一因素對孔洞閉合的影響時，僅改變這一因素，其他因素均保持不變。

外在因素對孔洞閉合的影響

相關(guān)文獻(xiàn)研究了變形溫度和應(yīng)變速率對孔洞閉合的影響，結(jié)果表明，變形溫度和應(yīng)變速率對孔洞的閉合過程有一定影響，但對臨界閉合壓下率基本沒有影響。其中臨界閉合壓下率是指孔洞完全閉合時所需的壓下率。臨界閉合壓下率越大，孔洞越難閉合。因此，本工作主要對摩擦系數(shù)和試樣高徑比這兩個因素進(jìn)行研究。

圖2 摩擦系數(shù)對臨界閉合壓下率的影響

在試樣尺寸為φ300mm×400mm、孔洞直徑為10mm的條件下，通過改變摩擦系數(shù)，模擬得到在不同的摩擦系數(shù)下孔洞臨界閉合壓下率，如圖2所示?？梢?，摩擦系數(shù)對孔洞的閉合幾乎沒有影響。在以往的研究中，由于忽略了模具與試樣之間的傳熱，普遍認(rèn)為摩擦系數(shù)越大，孔洞的臨界閉合壓下率越小，孔洞越容易閉合。這是由于隨著摩擦系數(shù)的增大，試樣中心的鼓肚越明顯，應(yīng)變集中于試樣中心區(qū)域，使孔洞更加容易閉合。本研究在考慮了傳熱的情況下，試樣與模具接觸面附近傳熱較快，在壓下率為25%時，試樣上下表面與模具接觸的位置溫度會降低到550℃左右，形成了溫度很低的表面急冷區(qū)，表面急冷區(qū)的存在使試樣表面不易變形，相當(dāng)于表面結(jié)成了一個硬殼。由于試樣與模具之間的摩擦力是作用于試樣表面的，硬殼的存在將摩擦力的影響與試樣內(nèi)部隔絕開，使試樣內(nèi)部的應(yīng)變分布不隨摩擦系數(shù)的變化而改變，從而消除了摩擦系數(shù)對孔洞臨界閉合壓下率的影響。在真實的鋼錠鍛造過程中，鋼錠與模具之間的傳熱是始終存在的，因此，可以認(rèn)為摩擦系數(shù)對鍛造過程中孔洞的臨界閉合壓下率基本沒有影響。這對于鋼錠的鐓粗和拔長過程是適用的，但對于復(fù)雜曲面零件的模鍛，摩擦系數(shù)的影響則必須予以考慮。

圖3 試樣高徑比對臨界閉合壓下率的影響

以直徑為300mm，孔洞直徑為10mm的試樣為基礎(chǔ)，通過改變試樣高度來改變試樣的高徑比。模擬得到的孔洞臨界閉合壓下率，如圖3所示。可見，試樣高徑比越大，孔洞越難閉合。在鐓粗過程中，如圖4所示，應(yīng)變會集中于試樣的中心區(qū)域形成應(yīng)變集中區(qū)，而在試樣與模具接觸面附近會形成變形死區(qū)。隨著試樣高徑比的增大，變形死區(qū)的體積基本不變，而應(yīng)變集中區(qū)域的體積變大，這就使應(yīng)變分散于更大的體積內(nèi)，難以集中于試樣的中心。在相同的壓下率下，試樣高徑比越大，中心區(qū)域的應(yīng)變越小，位于試樣中心的孔洞越難閉合。在實際的鐓粗過程中，一般試樣的高徑比應(yīng)小于2，否則容易在鐓粗過程中產(chǎn)生雙鼓形，在試樣中心區(qū)域會產(chǎn)生拉應(yīng)力，有可能導(dǎo)致裂紋。

內(nèi)在因素對孔洞閉合的影響

如圖4所示，在鍛造過程中試樣內(nèi)部的應(yīng)變分布是不均勻的，試樣中心部分的應(yīng)變最大，距離中心越遠(yuǎn)應(yīng)變越小，這直接影響了不同位置處的孔洞閉合情況。由于應(yīng)變集中，位于中心區(qū)域的孔洞最容易閉合，距離中心越遠(yuǎn)的孔洞越難閉合，孔洞的位置對其閉合的難易程度有很大的影響。對于圖1所示鋼錠中心的縮孔、疏松缺陷，由于缺陷位于鋼錠的軸線上，在鍛造過程中處于應(yīng)變集中區(qū)域，這有利于鋼錠中心的縮孔、疏松缺陷在鍛造過程中的愈合。在鋼錠中也可能存在氣孔等其他的孔洞型缺陷，這些缺陷可能距離鋼錠中心較遠(yuǎn)，這就需要較大的壓下量才能使這些孔洞型缺陷閉合。

圖4 在25%壓下率下試樣高徑比為4/3和2時的應(yīng)變場分布

圖5 孔洞尺寸對臨界閉合壓下率的影響

以尺寸為φ300mm×400mm的試樣為基礎(chǔ)，改變試樣中心孔洞的直徑，通過模擬得到孔洞的臨界閉合壓下率，如圖5所示?？梢姡诳锥大w積占試樣體積較小的情況下，孔洞的尺寸對于孔洞的閉合沒有影響。對于不同尺寸的孔洞，其閉合過程和周圍應(yīng)變分布幾乎完全相同。這是由于在孔洞體積遠(yuǎn)小于試樣體積的前提下，不論孔洞大小如何變化，幾乎不會影響到孔洞周圍的應(yīng)變場，因此對孔洞閉合過程也不會產(chǎn)生影響。本研究中最大孔洞直徑已達(dá)50mm，鋼錠的實際解剖結(jié)果表明缺陷均小于該尺寸，因此可認(rèn)為鋼錠中球形孔洞的尺寸對孔洞臨界閉合壓下率沒有影響。

圖6 孔洞形狀對臨界閉合壓下率的影響

對于尺寸為φ300mm×400mm的試樣，通過在其中心部位設(shè)計不同形狀的孔洞來考察這種改變對其臨界閉合壓下率的影響。圖6中的橢球形顯示了孔洞的外形(均為軸對稱模型)，改變孔洞的形狀，分別設(shè)計了餅狀、球形、橢球形的孔洞。為了描述孔洞形狀的差異，提出了孔洞高徑比的概念。將沿壓下方向孔洞的軸長定義為高h(yuǎn)(不一定為長軸長度)，將垂直于壓下方向的軸長定義為徑d，h/d即為孔洞的高徑比。不同外形的孔洞中高徑比最大的橢球形孔洞其高徑比為7，高徑比為1時孔洞為球形，而高徑比為0.5時孔洞為餅狀。對于不同高徑比的孔洞，通過模擬得到的孔洞臨界閉合壓下率如圖6所示，可見其對孔洞的閉合有很大的影響:沿變形方向孔洞的高徑比越大，孔洞閉合所需的壓下率越大，孔洞越難閉合。這是由于對高徑比較大橢球形孔洞來說，其變形過程會經(jīng)歷由橢球形變?yōu)榍蛐?、進(jìn)一步變成餅狀、最終完全閉合。橢球形孔洞的閉合過程包含了球形和餅狀孔洞的閉合過程，因此其閉合最困難、需要的臨界閉合壓下率最大?？梢圆捎醚刈冃畏较蚩锥锤邚奖葋碜鳛榭锥撮]合難易程度的判據(jù)，在模擬條件下，孔洞高徑比h/d與孔洞的臨界閉合壓下率ΔHC/H符合以下關(guān)系:

通過對上述可能影響孔洞閉合的各種因素進(jìn)行系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，變形溫度、應(yīng)變速率、摩擦系數(shù)、試樣尺寸和孔洞尺寸對于鍛造過程中孔洞的臨界閉合壓下率基本沒有影響。試樣高徑比和孔洞位置是通過影響孔洞周圍的應(yīng)變條件來影響孔洞的閉合，是間接的因素?？锥此谖恢玫膽?yīng)變越大，孔洞越容易閉合。

在各個因素中，只有孔洞形狀是影響孔洞閉合的直接因素，也是最本質(zhì)、最重要的因素。對于不同形狀的孔洞，其閉合難易程度有很大差異，將各種形狀孔洞歸一化為具有一定高徑比的形狀后，則沿變形方向孔洞的高徑比越大，孔洞越難以閉合。因此，在對鍛造過程孔洞型缺陷的壓實效果進(jìn)行評估時，必須將孔洞形狀作為首要的因素考慮，對鋼錠中真實的孔洞形狀進(jìn)行適當(dāng)簡化后考慮其是否能在鍛造過程中閉合，而不應(yīng)簡單采用球形孔洞的閉合作為實際縮孔、疏松閉合的判據(jù)，這種處理方法是以往絕大多數(shù)研究工作未曾考慮到的。

《鋼錠內(nèi)部孔洞缺陷愈合規(guī)律研究及創(chuàng)新工藝開發(fā)（下）》

見《鍛造與沖壓》第17期