文／孫明月，徐斌，李殿中·中國(guó)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(kāi)發(fā)（上）

文／孫明月，徐斌，李殿中·中國(guó)科學(xué)院金屬研究所

隨著我國(guó)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程包含2個(gè)階段：孔洞閉合和閉合界面的焊合。在鍛造過(guò)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(duì)于消除孔洞型缺陷有非常重要的意義。

鍛造過(guò)程包含鐓粗和拔長(zhǎng)過(guò)程，通常采用多次鐓粗拔長(zhǎng)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(duì)這些鍛造方法應(yīng)該采用的砧寬比、砧形、錯(cuò)砧方法以及壓下量等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究以?xún)?yōu)化自由鍛工藝，有效愈合軸線(xiàn)疏松。

圖1 100t核電轉(zhuǎn)子用鋼錠內(nèi)部缺陷的實(shí)際解剖照片

表1 6Cr2MnMoV化學(xué)成分

孔洞閉合過(guò)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(cè)量了該鋼種的熱物性參數(shù)和高溫應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，并將材料參數(shù)應(yīng)用在模擬過(guò)程中。

本研究采用DEFORM-2D軟件對(duì)含孔洞試樣的鐓粗過(guò)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(duì)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(jì)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?chē)膽?yīng)力、應(yīng)變變化情況，對(duì)孔洞周?chē)鷧^(qū)域進(jìn)行局部細(xì)化，整個(gè)模型包含約2萬(wàn)個(gè)單元。

在模擬過(guò)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(duì)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(wú)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(duì)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(shí)，孔洞的閉合過(guò)程也基本一致，因此在本工作中不研究試樣尺寸對(duì)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(duì)孔洞閉合的影響時(shí)，僅改變這一因素，其他因素均保持不變。

外在因素對(duì)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(duì)孔洞閉合的影響，結(jié)果表明，變形溫度和應(yīng)變速率對(duì)孔洞的閉合過(guò)程有一定影響，但對(duì)臨界閉合壓下率基本沒(méi)有影響。其中臨界閉合壓下率是指孔洞完全閉合時(shí)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(duì)摩擦系數(shù)和試樣高徑比這兩個(gè)因素進(jìn)行研究。

圖2 摩擦系數(shù)對(duì)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(guò)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。可見(jiàn)，摩擦系數(shù)對(duì)孔洞的閉合幾乎沒(méi)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(shí)，試樣上下表面與模具接觸的位置溫度會(huì)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(gè)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(kāi)，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(duì)孔洞臨界閉合壓下率的影響。在真實(shí)的鋼錠鍛造過(guò)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(duì)鍛造過(guò)程中孔洞的臨界閉合壓下率基本沒(méi)有影響。這對(duì)于鋼錠的鐓粗和拔長(zhǎng)過(guò)程是適用的，但對(duì)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(duì)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(guò)改變?cè)嚇痈叨葋?lái)改變?cè)嚇拥母邚奖取ＤM得到的孔洞臨界閉合壓下率，如圖3所示?？梢?jiàn)，試樣高徑比越大，孔洞越難閉合。在鐓粗過(guò)程中，如圖4所示，應(yīng)變會(huì)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(huì)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?cè)叫?，位于試樣中心的孔洞越難閉合。在實(shí)際的鐓粗過(guò)程中，一般試樣的高徑比應(yīng)小于2，否則容易在鐓粗過(guò)程中產(chǎn)生雙鼓形，在試樣中心區(qū)域會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，有可能導(dǎo)致裂紋。

內(nèi)在因素對(duì)孔洞閉合的影響

如圖4所示，在鍛造過(guò)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?cè)叫?，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(duì)其閉合的難易程度有很大的影響。對(duì)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(xiàn)上，在鍛造過(guò)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(guò)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(shí)的應(yīng)變場(chǎng)分布

圖5 孔洞尺寸對(duì)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?cè)嚇又行目锥吹闹睆?，通過(guò)模擬得到孔洞的臨界閉合壓下率，如圖5所示?？梢?jiàn)，在孔洞體積占試樣體積較小的情況下，孔洞的尺寸對(duì)于孔洞的閉合沒(méi)有影響。對(duì)于不同尺寸的孔洞，其閉合過(guò)程和周?chē)鷳?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(huì)影響到孔洞周?chē)膽?yīng)變場(chǎng)，因此對(duì)孔洞閉合過(guò)程也不會(huì)產(chǎn)生影響。本研究中最大孔洞直徑已達(dá)50mm，鋼錠的實(shí)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(duì)孔洞臨界閉合壓下率沒(méi)有影響。

圖6 孔洞形狀對(duì)臨界閉合壓下率的影響

對(duì)于尺寸為φ300mm×400mm的試樣，通過(guò)在其中心部位設(shè)計(jì)不同形狀的孔洞來(lái)考察這種改變對(duì)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(duì)稱(chēng)模型)，改變孔洞的形狀，分別設(shè)計(jì)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(zhǎng)定義為高h(yuǎn)(不一定為長(zhǎng)軸長(zhǎng)度)，將垂直于壓下方向的軸長(zhǎng)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(shí)孔洞為球形，而高徑比為0.5時(shí)孔洞為餅狀。對(duì)于不同高徑比的孔洞，通過(guò)模擬得到的孔洞臨界閉合壓下率如圖6所示，可見(jiàn)其對(duì)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(duì)高徑比較大橢球形孔洞來(lái)說(shuō)，其變形過(guò)程會(huì)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(guò)程包含了球形和餅狀孔洞的閉合過(guò)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?lái)作為孔洞閉合難易程度的判據(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(guò)對(duì)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(duì)于鍛造過(guò)程中孔洞的臨界閉合壓下率基本沒(méi)有影響。試樣高徑比和孔洞位置是通過(guò)影響孔洞周?chē)膽?yīng)變條件來(lái)影響孔洞的閉合，是間接的因素?？锥此谖恢玫膽?yīng)變?cè)酱螅锥丛饺菀组]合。

在各個(gè)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(duì)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(duì)鍛造過(guò)程孔洞型缺陷的壓實(shí)效果進(jìn)行評(píng)估時(shí)，必須將孔洞形狀作為首要的因素考慮，對(duì)鋼錠中真實(shí)的孔洞形狀進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化后考慮其是否能在鍛造過(guò)程中閉合，而不應(yīng)簡(jiǎn)單采用球形孔洞的閉合作為實(shí)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(kāi)發(fā)（下）》

見(jiàn)《鍛造與沖壓》第17期