大型锻件夹杂性缺陷的形成及控制锻造工艺

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大型锻件夹杂性缺陷的形成及控制锻造工艺

文　摘：为合理控制实际生产中大型锻件内部缺陷的变化过程，使其各项性能满足检验标准，采用物理模拟技术研究了饼、块类锻件较为严重的夹杂性缺陷在塑性成形中的变化规律，系统分析了其形成过程及影响要素，据此论述了有效控制夹杂性缺陷的锻造方法，并将其初步用于实际生产，改善了产品内在质量，取得了满意效果。研究表明：造成探伤超标的塑性夹杂性裂纹伴生于孔隙性缺陷闭合的大变形过程中，通过控制锻造工艺获得满足产品使用要求的优质锻件是塑性加工学科的重要发展方向。

　　大型锻件广泛用作能源、冶金、化工等设备的关键零部件，对其内部质量要求很高，不仅要求做机械性能和晶粒度的检验，还要做超声波探伤检查。因此，如何生产出合格的大型锻件成为重型锻造行业重要的研究课题。
　　大型锻件的生产过程包括冶炼、注锭、凝固、锻造和热处理等工艺。由于冶金和凝固特性决定了钢锭中不可避免地存在孔隙、夹杂、偏析和组织等缺陷，并且钢锭越大缺陷越严重。通过炼钢采用超纯净钢水注锭，凝固过程中由于缺少结晶核致使晶粒过分粗大；采用电渣重熔锭，晶粒定向生长并且较粗大。2种方法均增加了后续锻造和热处理工艺的难度。而国内炼钢普遍以电炉为主，钢包精炼，合理控制注锭和凝固过程，钢锭中内生夹杂物数量虽然很多，但其单个尺寸远小于探伤标准中的容许值。锻造是唯一具有成形作用的工艺，通过锻造工艺控制缺陷形成是保证锻件探伤不超标的唯一途径［1～3］。
　　孔隙类缺陷大多位于钢锭心部，20世纪80年代引进的WHF、JTS、FM法等锻造工艺可有效地消除此类缺陷，对解决轴类锻件的质量问题起了至关重要的作用，然而饼、块类锻件由于形状与其不同，解决孔隙性缺陷后暴露出的夹杂性裂纹成为致废的主要矛盾。因此，研究夹杂性缺陷的形成机理和解决方法是实现控制锻造的必由之路。
1　夹杂性缺陷的形成
　　研究钢锭内部缺陷在锻造过程中的变化，准确掌握其形成规律，避免缺陷形成，保证探伤不超标是控制锻造的目的。在塑性加工过程中夹杂性裂纹的变化非常复杂，受众多因素影响，存在着消除和增生的可能。按照塑性变形能力不同，夹杂可以分成塑性夹杂和硬性夹杂，其缺陷形成机制相差迥异。生产中应根据其特点和影响因素分别予以控制。
1.1　塑性夹杂性裂纹的形成
　　为了解塑性夹杂在塑性加工中的变化及其对金属基体变形的影响，用含有夹杂的模型试件进行压缩实验，采用云纹法研究夹杂及基体变形规律。含有夹杂的变形试件云纹图如图1所示。由图1可知，由于塑性夹杂与基体变形能力不同，夹杂较软，因此塑性夹杂被压成片状，在夹杂附近产生应力、应变集中区，其长度是夹杂的2倍，宽度是夹杂的3倍。被压扁的塑性夹杂角部C、D处应变集中最大，应变集中系数可达5以上，其值取决于夹杂与基体的相对变形能力。在夹杂边缘可观察到裂纹，裂纹不仅在夹杂角部产生，而且也出现在腹部。最大剪应力方向与水平轴成45°。当缺陷变形影响区相交时，夹杂间基体将产生裂纹。夹杂被挤入裂纹后，夹杂相连，汇合，产生更大的缺陷。多个夹杂及裂纹相连后即可导致探伤超标。图2是钢件中2个夹杂相连、汇合后形成更大缺陷的情况。在塑性变形过程中孔隙性缺陷被压实，而较大的塑性变形却引起了夹杂性裂纹的产生。

图1　含有塑性夹杂的变形云纹图(5line/mm)

图2　钢件中夹杂相连、汇合成更大的缺陷
　　对比图1a和1b可知，随着变形增大，夹杂被压得越扁，角部应力集中越大。而单一夹杂即使被压扁其尺寸也不会超过探伤要求，因此，控制夹杂形貌变化，减小应力集中，避免基体裂纹产生是防止夹杂性缺陷的有效方法之一。
1.2　硬性夹杂性裂纹的形成
　　为了解硬性夹杂在塑性加工中的变化及其对金属基体变形的影响，将含有夹杂的模型试件进行压缩实验，用云纹法研究夹杂及裂纹产生规律。含硬性夹杂试件变形的云纹图如图3所示。由于金属基体与夹杂材料的流动能力不同，裂纹首先出现在与变形主方向垂直的夹杂物两侧。由图3可知，硬性夹杂由于较基体材料硬，不能随基体材料变形，其应变影响区和应力集中均较塑性夹杂小，与基体界面结合能力很差，二界面非常容易脱开并形成裂纹。变形量不同裂纹发生明显变化，由于裂纹表面不会产生污染，因而比较容易控制。夹杂物形状在变形过程中稍有变化，受变形量限制很难被弥散。由于夹杂物尺寸较小，即使产生了裂纹也不会使探伤超标，但这一残留缺陷对后续热处理工艺造成了致废隐患。

图3　含有硬性夹杂的变形云纹图(5line/mm)
1.3　夹杂性裂纹变化的特点
　　钢锭凝固过程完成后，其中夹杂含量不能变化，通过变形只能改善夹杂形状及其分布，使其探伤不超标，满足使用性能要求。在塑性变形过程中，孔隙性缺陷焊合后，基体机械性能均匀，一般不会产生二次开裂。而在塑性变形过程中，夹杂形状始终处于变化之中，夹杂性裂纹扩展或修复完全取决于变形条件，因而夹杂性裂纹的变化比孔隙性缺陷复杂得多。
　　由文［2］可知，夹杂性裂纹是由多个片状夹杂和基体裂纹共同构成的损伤聚合体。在片状夹杂物之间联接纯金属基体的裂纹很容易修复，而弥散片状夹杂所需的变化量较大，缺陷修复后机械性能不降低，大型锻件探伤合格并不关注夹杂性裂纹的变化过程。因此，防止联接夹杂的基体裂纹产生或弥散夹杂，保证探伤不超标可有效控制缺陷产生。
　　利用上述特点，科学地控制锻造过程是保证孔隙性缺陷焊合，夹杂性裂纹不超标的关键。
1.4　产生夹杂性裂纹的影响因素
　　由文［4］可知，材料性质、夹杂特性、变形温度、应力状态、应变速率和变形量等因素对产生夹杂性裂纹具有重要影响。材料性质由使用要求决定，材料性质和夹杂特性在钢锭凝固后已不能改变，因而只能依靠控制热力参数实现质量控制。温度对材料变形能力和夹杂物性能有重要影响，温度的变化决定了裂纹产生方式。应力状态决定了裂纹处于扩展或不变化等状态，而裂纹产生具有累积效果，变形量的大小与裂纹尺寸密切相关。应变速率高，金属组织由于不能充分再结晶，材料易出现加工硬化，因而易产生裂纹。
2　控制锻造工艺要求
　　根据大型锻件的检验标准制定锻造工艺应控制的内容，如目前性能要求最高的核反应堆锻件，既要求做严格的机械性能检验，又要做探伤检查，因此应控制孔隙类缺陷、夹杂性裂纹、金属组织和偏析程度。实际生产中，应根据产品形状、尺寸和性能等要求，选择相应的控制锻造方法，采取相应的措施。
2.1　合理的变形组合
　　生产饼、块类锻件通常使用细长钢锭，致使心部变形量过大，因而夹杂性裂纹最为明显。生产饼、块类锻件既要足够的变形量保证孔隙焊合，又要防止伴生出夹杂性裂纹。可以充分利用孔隙性缺陷焊合后不会开裂，夹杂性裂纹处于动态变化这一规律，采用分步法，即预锻工艺使用WHF、FM和JTS法等大型锻件锻造工艺解决轴类锻件的空洞压实问题，终锻工艺充分利用夹杂性裂纹的变化特点控制夹杂性缺陷。
2.2　控制夹杂物形貌
　　通常钢锭中的夹杂近似球状，在变形初期其应力集中较小，夹杂周围不会产生微裂纹。锻件心部的塑性夹杂在变形过程中逐渐由球状、椭球状变为片状，变形量越大则夹杂成为片状的可能性越大，而成为片状的夹杂构成锻件心部潜在的裂纹源。由图1可知，夹杂越扁应力集中越大，越易使基体金属断开，形成夹杂性裂纹，致使探伤超标。在制定锻造工艺时，依靠选择钢锭锭形可以较容易控制夹杂形貌，如一个钢锭生产2个锻件。但超大型锻件受钢锭和锻造能力限制不适宜用此法。
2.3　依靠高温和变形修复夹杂性缺陷
　　研究表明，构成探伤超标的夹杂性裂纹原理上均可修复，但其修复机制各异，修复条件大不相同。对于内部微小裂纹由于加热体积变化，裂纹表面接触，通过高温扩散和再结晶裂纹可以焊合；较大的夹杂性裂纹则需通过塑性变形使联接基体的裂纹焊合，通过大变形可以弥散引起缺陷的塑性夹杂，从而使锻件内部缺陷不超过探伤检查标准。
2.4　预留变形量用于控制缺陷
　　为消除大型锻件中可能产生的、探伤超标的夹杂性裂纹，在锻造工艺中可以通过最后的整形工艺修复缺陷。具体执行时，首先使用镦粗和WHF、FM或JTS法等工艺压实钢锭内孔隙性缺陷，并使锻件外形接近零件要求。返炉后重新加热至再结晶温度以上200　　　　　　℃，然后按可修复夹杂性裂纹的变形量进行终锻并整形。控制终锻火次的另一目的是保证锻件内部晶粒尺寸不粗大和避免混晶现象发生，满足晶粒度检验要求。
3　应用工艺实例
　　根据上述思想制造的300MW核电特大管板锻件在第一重型机械集团公司取得了重大成功，填补了国内空白，并使普通管板锻件生产合格率由50％上升到95％以上。
4　结　论
　　1) 对夹杂性裂纹形成机理的模拟研究表明，在塑性变形过程中被压扁的塑性夹杂物周围产生应力、应变集中区，夹杂越扁，应力、应变集中越大。当变形影响区相交时，夹杂间基体产生裂纹。夹杂性裂纹伴生于压实孔隙性缺陷的大变形过程中。
　　2)硬性夹杂性裂纹产生的原因是夹杂与基体在变形过程中由于变形能力不同致使界面脱开，并扩展形成裂纹。由于夹杂和裂纹尺寸较小，不会引起探伤超标。
　　3)控制锻造工艺的技术特色为：通过变形控制内生微小夹杂物的形貌使其不产生夹杂性裂纹；利用高温和塑性变形修复夹杂性裂纹；锻造工艺中预留变形量，利用终锻工艺修复缺陷，即预锻工艺消除孔隙性缺陷，终锻工艺控制夹杂性裂纹。
　　4)对大型锻件的热塑性加工过程进行科学控制，采用控制锻造工艺可大大提高其成品率，具有可观的经济效益和社会效益，值得大力推广。