防扭臂鍛件低倍粗晶缺陷淺析

文/李彩鳳·航空工業(yè)江西景航航空鍛鑄有限公司

粗晶缺陷是鋁合金模鍛件常見缺陷之一，它降低鍛件的強度。在鍛件的粗晶組織以及由粗晶組織向細(xì)晶組織急劇變化的過渡區(qū)，鍛件的疲勞強度降低。我公司生產(chǎn)的防扭臂鍛件，材料為LD10,熱處理交付狀態(tài)為CS，鍛件尺寸如圖1所示。原生產(chǎn)設(shè)備為3t 模鍛錘，因模鍛錘生產(chǎn)精度較低，批量生產(chǎn)過程中，常常出現(xiàn)非加工表面擼傷問題，如圖2 所示，導(dǎo)致鍛件報廢。

圖1 防扭臂鍛件尺寸圖

圖2 防扭臂鍛件錘上模鍛時易擼傷

2020 年3 月，該防扭臂鍛件轉(zhuǎn)產(chǎn)至1000t 電動螺旋壓力機上鍛造，試制過程中擼傷問題得到解決，但出現(xiàn)了粗晶問題，如圖3 所示。后采用了多種方案，共投制了4 個批次試制件，均未能解決粗晶問題。因試制周期過長，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品交付。

圖3 防扭臂鍛件低倍整體粗晶問題圖片

經(jīng)對比，轉(zhuǎn)產(chǎn)前后變形工步相同，鍛造加熱制度相同，熱處理制度相同，僅鍛造設(shè)備不同。

粗晶問題原因分析

化學(xué)成分的影響

受化學(xué)成分的影響，該合金為Cu—Аl 系鋁合金，當(dāng)合金中含有Fe、Mn、Cr、Zr 等元素時能生成FeАl3、MnАl6、CrАl3等彌散相，可阻礙再結(jié)晶晶粒均勻長大，但加熱至高溫時少數(shù)晶粒晶界上的彌散相因溶解而首先消失，這些晶粒就會率先急劇長大，形成少數(shù)極大的晶粒。但該牌號的合金恰恰不含Cr、Zr 等元素，僅含的Fe、Mn元素也是少量的，可見該牌號的鋁合金在熱加工時易產(chǎn)生粗晶。

原材料粗晶環(huán)

受原材料粗晶環(huán)的影響，粗晶環(huán)在變形時不易充分破碎，導(dǎo)致回復(fù)與再結(jié)晶時呈弓形向金屬內(nèi)部長大，但該批原材料未見粗晶環(huán)。

終鍛溫度的影響

工藝中規(guī)定終鍛溫度應(yīng)≥380℃，若低于380℃繼續(xù)鍛造則易產(chǎn)生粗晶，特別是在低于350℃鍛造時極易產(chǎn)生粗晶。

變形程度及速度的影響

合金落入臨界變形區(qū)(≥90%及≤1O%)時鍛造易產(chǎn)生粗晶，合金變形速度過快、變形激烈時易產(chǎn)生較大的變形熱，回復(fù)與再結(jié)晶時，在激烈變形處產(chǎn)生新的晶核并吞噬周圍的晶核而長大，造成粗晶。

轉(zhuǎn)產(chǎn)前后對比

⑴轉(zhuǎn)產(chǎn)前鍛造成形方案介紹。

轉(zhuǎn)產(chǎn)前鍛造工藝路線為：下料→中溫爐加熱→750kg 錘制坯→打磨→中溫爐加熱→3t 錘模鍛一火→割毛邊→打磨→中溫爐加熱→3t 錘模鍛二火→切邊，其成形過程如圖4 所示。

圖4 防扭臂鍛件轉(zhuǎn)產(chǎn)前成形方案

⑵轉(zhuǎn)產(chǎn)后鍛造成形方案介紹。

轉(zhuǎn)產(chǎn)后鍛造工藝路線為：下料→中溫爐加熱→750kg 錘制坯→打磨→中溫爐加熱→1000t 壓力機一火→割毛邊→打磨→中溫爐加熱→1000t 壓力機二火→切邊，其成形過程如圖5 所示。

確認(rèn)粗晶問題原因

圖5 防扭臂鍛件轉(zhuǎn)產(chǎn)后成形方案

對轉(zhuǎn)產(chǎn)后制坯鍛件、模鍛一火后鍛件同爐熱處理后進(jìn)行低倍檢測，發(fā)現(xiàn)制坯后鍛件低倍無整體粗晶問題，但模鍛一火后便出現(xiàn)低倍整體粗晶問題，如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)產(chǎn)后模鍛一火后低倍粗晶

對比1000t 壓力機和3t 模鍛錘模鍛一火的過程，其主要差別為：

1000t 壓力機上打擊2 次便完成一火充填，且第一次下壓量便已達(dá)到25mm，第一次的變形量為50% ～60%；3t 模鍛錘上需6 ～8 錘才能完成一火充填，且前幾錘每錘下壓量接近，每錘下壓量8 ～10mm，每錘變形量約20%。

根據(jù)國內(nèi)研究成果，鍛造過程中的變形速度對鋁合金組織有較明顯的影響：當(dāng)變形速度過快時，鋁合金極易產(chǎn)生粗晶組織(鋁合金模鍛錘上鍛造一般要求前兩錘輕擊慢打也是為了避免變形速度過大)。

綜上，模鍛一火過程中，壓力機首次下壓量過大導(dǎo)致鍛件變形速度過快是防扭臂鍛件低倍整體粗晶的主要原因。

工藝性優(yōu)化方案

確定優(yōu)化方法

根據(jù)如上分析，模鍛一火過程中首錘下壓量過大是防扭臂鍛件低倍整體粗晶的主要原因，故優(yōu)化方向便是多錘鍛造并控制每錘的下壓量。然而，我公司1000t 壓力機能量較難控制，即使調(diào)整至很小的打擊能量首次的變形量仍超過50%，因此，本次工藝優(yōu)化方向是增加25kJ 模鍛錘預(yù)鍛工序，不但可以控制每錘的變形量，還可以與1000t 壓力機實現(xiàn)聯(lián)動，減少鍛造火次和中間工序。

從圖7 中可以看出，毛壓—預(yù)壓—終壓，鍛件是從粗到精逐漸充滿模膛，使變形金屬的流動過程變得比較平穩(wěn)，變形也更加均勻，可以減少由于劇烈變形產(chǎn)生折疊的概率。

圖7 設(shè)置毛壓模、預(yù)壓模、終壓模避免折疊

因預(yù)鍛工序設(shè)計在25kJ 模鍛錘上，可控制每錘下壓量，故預(yù)鍛模設(shè)計主要考慮3 個方面：

⑴盡可能取消模鍛前的制坯工序，讓預(yù)鍛模擁有分料能力，提升生產(chǎn)效率并保證過程的一致性。

⑵盡可能與終鍛工序?qū)崿F(xiàn)聯(lián)動，減少模鍛一火和模鍛二火件的割邊、打磨、酸洗等工序，提升生產(chǎn)效率。

⑶因終鍛工序在1000t 壓力機上，故需考慮終鍛工序首次變形量，盡可能控制終鍛首次變形量在20%～40%之間。

根據(jù)上述3 個優(yōu)化方面，設(shè)計預(yù)鍛件，其形狀如圖8 所示。

確定鍛造工步

根據(jù)預(yù)鍛模設(shè)計，確定鍛造工藝路線為：下料→中溫爐加熱→25kJ 錘預(yù)鍛→回爐加熱→1000t 壓力機終鍛→切邊，其變形工步如圖9 所示。

工藝試驗結(jié)果

2020 年4 月，根據(jù)如上優(yōu)化方案進(jìn)行了工藝試制，其低倍組織如圖10 所示，鍛件低倍粗晶問題已得到解決。

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圖8 防扭臂預(yù)鍛件形狀

圖9 防扭臂預(yù)鍛件形狀

圖10 工藝優(yōu)化后低倍組織

結(jié)束語

在模鍛錘和壓力機上進(jìn)行鋁合金鍛造，應(yīng)控制每一次打擊的變形量，避免因單次變形量過大而導(dǎo)致鍛件粗晶，現(xiàn)根據(jù)公司已有設(shè)備重新布局，有效解決了防扭臂鍛件低倍整體粗晶問題且提高了生產(chǎn)效率。