張毅峰 王雷剛 吳君三 雷正印

(1.江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇212013；2.張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司，江蘇215600)

壓力容器用管板、法蘭和封頭等大型餅類鍛件的生產(chǎn)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)十分重要的地位，其生產(chǎn)水平的高低在一定程度上被視為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際生產(chǎn)中，此類鍛件生產(chǎn)難度大，常因探傷不合格而報(bào)廢，其中最嚴(yán)重的便是夾雜性裂紋[1,2]。因此，如何避免夾雜性裂紋的產(chǎn)生一直是困擾鍛造行業(yè)的一個(gè)難題。

鋼中的非金屬夾雜物按傳統(tǒng)的分類方法可分為外來夾雜和內(nèi)生夾雜兩種。目前，隨著煉鋼技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是真空技術(shù)的采用，使得鋼水的質(zhì)量大大提高，外來夾雜物的含量已經(jīng)很低，但內(nèi)生夾雜物，尤其是那些在凝固過程中生成的各種夾雜，則比較難于控制。因?yàn)樗鼈兪卿摰慕M成部分，雖其大小、形狀、分布和組成等都可以得到改善，但絕對(duì)不可能完全避免。對(duì)于大型鍛件用鋼而言，隨著鋼錠體積的加大，內(nèi)生夾雜物的尺寸也相應(yīng)地加大。在管板鍛件的常用材料20MnMo、16Mn等鋼中，最主要的非金屬夾雜為硫化物(以MnS為代表)、鋁酸鹽類(以鋁酸鈣為代表)及少量的氧化物夾雜，這些夾雜物的存在及其在壓力加工中的變化，構(gòu)成了產(chǎn)生夾雜性裂紋最主要的動(dòng)因[3,4]。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[5]表明：避免大型餅類鍛件內(nèi)部的夾雜性(裂紋)缺陷，必須從控制夾雜物形貌(使之減少成為片狀的可能)和抑制微夾雜性裂紋聚合的角度出發(fā)，來制訂鍛造工藝。同時(shí)，還要兼顧到壓實(shí)孔洞和疏松等鋼錠的內(nèi)部缺陷，避免產(chǎn)生鍛件混晶等問題。

1 大型管板鍛件缺陷分析

某公司近期生產(chǎn)了5件大型管板鍛件，規(guī)格為1 920 mm×200 mm，材質(zhì)為16Mn，重量為4 790 kg，鋼錠利用率為68.5%。其中3件因出現(xiàn)大面積密集性缺陷和3處單個(gè)缺陷大于?4 mm而報(bào)廢，缺陷位置徑向集中在直徑的1/2環(huán)形區(qū)域，軸向集中在高度的中間區(qū)域，如圖1所示。

超聲波探傷過程中發(fā)現(xiàn)有底波下降和消失的現(xiàn)象，可判斷出有大面積的密集性缺陷，可能為白點(diǎn)、疏松以及夾雜性裂紋等空穴型缺陷。該批管板鍛件用鋼是經(jīng)過電爐冶煉+爐外精煉制成。根據(jù)鋼廠的質(zhì)保書顯示，氫的含量控制在2×10-6以內(nèi)；鍛件鍛后冷卻到500℃左右就裝爐正火，避免了產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力；在290～310℃和640～660℃兩段擴(kuò)氫溫度范圍內(nèi)保溫時(shí)間均不低于15 h，因此，可斷定該缺陷不是白點(diǎn)。鍛造工藝采用兩次WHF法拔長(zhǎng)+一次鐓粗成形，鍛造比達(dá)8.8，鋼錠內(nèi)的孔洞、疏松等內(nèi)控缺陷可基本鍛合，也排除了疏松的可能。通過上面的分析，3件報(bào)廢大型管板探傷超標(biāo)的孔隙性缺陷可判定為夾雜性裂紋。

圖1 大型管板缺陷分布Figure 1 The defect distribution of heavy disc forgings

2 夾雜性裂紋形成機(jī)理[6]

由于鋼中不可避免會(huì)存在非金屬夾雜物，其物理性能與基體金屬間的差異，使鍛件在鍛造變形過程中產(chǎn)生應(yīng)變應(yīng)力集中并形成微裂紋。微裂紋在一定條件下聚合，進(jìn)而形成探傷可見缺陷。金屬在壓力作用下產(chǎn)生壓縮變形是塑性加工過程中最主要的成形方式之一。此時(shí)在變形金屬內(nèi)部的夾雜物將由圓形逐漸變?yōu)闄E圓形。假設(shè)變形過程中的任一時(shí)刻，橢圓的長(zhǎng)軸為Ra，短軸為Rb，則在夾雜物領(lǐng)域應(yīng)變集中而導(dǎo)致的應(yīng)力集中影響區(qū)域?qū)⑷鐖D2所示。圖中La、Lb和Lθ分別為夾雜物影響區(qū)的長(zhǎng)軸、短軸和最大長(zhǎng)度，θ為最大影響區(qū)長(zhǎng)度與長(zhǎng)軸之間的夾角。隨變形的進(jìn)行，夾雜物逐漸片狀化，Ra增加，不同片層的間距縮短，使得夾雜物之間的影響相遇，在一定條件下聚合并導(dǎo)致產(chǎn)生變形體內(nèi)宏觀可見的裂紋，如圖3所示。這就是所謂的夾雜性裂紋的聚合模型。

在金屬塑性成形過程中，隨著塑性夾雜物被壓扁，在其頂端不但有因應(yīng)力集中釋放而形成的微觀剪切帶，又有因塑性變形不均勻而引起的宏觀剪切帶。當(dāng)二者的作用區(qū)域重合時(shí)，將導(dǎo)致激烈的剪切變形并形成夾雜性裂紋。因此夾雜性裂紋是變形體內(nèi)部分夾雜物和剪切帶共同作用的結(jié)果。圖4所示為與鍛造方向平行分布的兩個(gè)夾雜物之間夾雜性微裂紋的聚合過程。當(dāng)變形量較小時(shí)(圖4a)，夾雜物被壓為薄片。但這種微裂紋尚未達(dá)到聚合所需的臨界條件。兩微裂紋隨基體變形并擴(kuò)展，隨著變形量的增加，微裂紋間距逐漸縮短，達(dá)到了微裂紋聚合的臨界條件。AA′BB′區(qū)域內(nèi)的金屬在水平方向的流動(dòng)速度V′高于周圍金屬基體的流動(dòng)速度V，表現(xiàn)為局部頸縮的發(fā)生(圖4b)。隨著基體金屬變形的持續(xù)進(jìn)行，AA′BB′區(qū)域頸縮程度逐漸擴(kuò)展，直到兩個(gè)微裂紋之間的基體完全破壞(圖4c)。

圖2 夾雜物及其影響區(qū)Figure 2 The inclusions and affective area

圖3 夾雜性裂紋的聚合模型Figure 3 The polymerism model of the inclusion cracking

圖4 夾雜性裂紋聚合過程Figure 4 The polymerism process of inclusion crack

通過分析夾雜性裂紋形成機(jī)理，可以得出避免此類裂紋的有效措施就是控制夾雜物的形狀變化和防止裂紋聚合。因此要求管板鍛件在鍛造過程中，特別是鐓粗環(huán)節(jié)中一定要使金屬變形均勻，迫使剛性區(qū)變形(高徑比H/D>1)，消除(H/D<1)或降低(H/D<<1)靜水應(yīng)力區(qū)的抗剪強(qiáng)度，減小管板鍛件鼓形程度[7]。

3 有限元模擬

采用有限元軟件DEFORM-3D對(duì)管板鐓粗過程進(jìn)行模擬，分別建立兩種模型，即a)一次鐓粗成形，b)預(yù)鐓粗40%+旋壓成形。毛坯材料選庫(kù)中DIN-16Mn(20-1 200℃)，為了節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，取模型的1/2；剪切摩擦系數(shù)0.3，設(shè)置毛坯為恒溫(1 050℃)，鐓粗圓盤與小方砧的向下運(yùn)動(dòng)速率均為10 mm/s，應(yīng)用稀疏矩陣和Newton-Raphson迭代法進(jìn)行求解。圖5、6分別是兩種模型的網(wǎng)格變形和等效應(yīng)變分布的對(duì)比。

a

b圖5 網(wǎng)格變形對(duì)比Figure 5 Comparision of mesh deformation

由圖5、6可知：在b模型中毛坯網(wǎng)格變形與等效應(yīng)力分布都較均勻，因此可有效控制心部夾雜物的形貌，避免出現(xiàn)夾雜物在劇烈的剪切變形下成為片狀，并與基體形成微裂紋的現(xiàn)象。

4 鍛造工藝改進(jìn)

通過分析大型管板鍛件夾雜性裂紋形成機(jī)理和有限元模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在原先工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出以下鍛造工藝：鋼錠預(yù)鐓粗→兩次WHF法拔長(zhǎng)→預(yù)鐓粗40%→旋壓成形。具體變形過程及參數(shù)如下所示。

第I火次，鍛造溫度1 240～800℃：

(1)壓鉗把?540 mm×650 mm(壓住錠身50 mm)，倒棱，銼錠尾。

(2)鐓粗?1 150 mm×700 mm，用700 mm寬上下平砧按WHF法拔方，搭接量70 mm，兩趟間要錯(cuò)開砧子以免產(chǎn)生死角，參數(shù)見表1。

(3)倒八方倒圓，?750 mm×1 615 mm，返爐加熱1 240℃。

第II火次，鍛造溫度1 240～800℃：

a

b圖6 等效應(yīng)變分布對(duì)比Figure 6 Comparision of the equivalent strain distribution

趟數(shù)12345678壓后高度/mm進(jìn)砧量/mm翻轉(zhuǎn)角度/°9207009098070090780700908706009072060090780600907005009075050090

表2

(4)鐓粗到?1 055 mm×800 mm，用WHF法拔□700 mm，參數(shù)見表2。

(5)倒八方倒圓切去水口、冒口，下料?700 mm×1 760 mm，返爐加熱1 240℃。

第III火次，鍛造溫度1 240～800℃：

(6)鐓粗?1 100 mm×700 mm，滾鍛外圓消除鼓肚。

(7)按圖7所示順序旋壓，每趟壓后尺寸見表3。

圖7 旋壓順序Figure 7 Spinning procedure

趟數(shù)123456壓后高度/mm進(jìn)砧量/mm翻轉(zhuǎn)角度/°560700180450600180370500180290400180240300180200300180

(8)修整到鍛件尺寸。

該管板鍛件經(jīng)兩次WHF法拔長(zhǎng)，具有足夠的鍛造比將鋼錠內(nèi)部的疏松、孔洞鍛合。預(yù)鐓粗后的滾鍛外圓工序是十分必要的，它既能消除鼓肚避免外表面拉應(yīng)力過大產(chǎn)生裂紋，又能最大程度地修復(fù)已變形趨向于片狀的夾雜物。旋壓過程中要嚴(yán)格控制砧寬比0.85～1.25、單面壓下量≤15%，其作用在于使鍛件各部分均勻變形，控制夾雜物不成為片狀，且最后一砧變形由于其外環(huán)相當(dāng)于封閉式的模具使坯料中心具有很高的靜水壓力，進(jìn)一步減小夾雜物成為片狀的傾向。

某公司在鍛制第二批共4件管板鍛件(規(guī)格、材質(zhì)同第一批)過程中，采用上述改進(jìn)工藝后，經(jīng)超聲波探傷單個(gè)缺陷小于?4 mm，無大面積密集性缺陷，合格率100%。

5 結(jié)論

1)通過分析夾雜性裂紋的形成機(jī)理證明：管板鍛件在強(qiáng)烈且不均勻的鐓粗變形下，內(nèi)部夾雜物成為片狀，基體形成微裂紋，并發(fā)生聚合現(xiàn)象，形成探傷不合格的夾雜性裂紋。

2)通過改進(jìn)鍛造工藝，采用WHF法拔長(zhǎng)+預(yù)鐓粗+旋壓成形，可有效控制夾雜物形貌，從而避免產(chǎn)生夾雜性裂紋，提高探傷合格率。

3)采用有限元軟件模擬管板鍛件成形過程，為實(shí)際鍛造工藝的改進(jìn)提供理論依據(jù)。

[1] 許樹森，史宇麟，禹興勝.特大型管板工藝研究[J].礦山機(jī)械，2001(07)：57-58.

[2] 韓靜濤，許樹森，陳鋼.大型鍛件的夾雜性裂紋與控制鍛造工藝[J]. 鋼鐵，1997，32(3)：33 - 39.

[3] 曹起驤，韓靜濤，馬慶賢等.大型管板鍛件夾雜性裂紋形成機(jī)理討論[J].塑性工程學(xué)報(bào)，1994，1(1)：14-19.

[4] 韓靜濤，陳志平，李錦科等.有效控制夾雜性裂紋的大型鍛件鍛造及處理方法[J].塑性工程學(xué)報(bào)，1996，3(1)：20-26.

[5] 韓靜濤. 大型餅塊類鍛件夾雜性裂紋形成機(jī)理及控制鍛造工藝研究[D].北京：清華大學(xué)，1995.

[6] 楊昱東，聶仲毅，韓靜濤.鍛鋼冷軋輥坯內(nèi)裂紋缺陷控制研究[J].大型鑄鍛件，2006(1)：1-4.

[7] 劉助柏，倪利勇，劉國(guó)輝.大鍛件形變新理論新工藝[M ].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.