文／張軍改·河北東安精工股份有限公司

楔橫軋件疏松中空的影響因素及解決辦法

文／張軍改·河北東安精工股份有限公司

疏松中空是楔橫軋件致命缺陷，影響零件的安全性，長期以來制約著楔橫軋技術(shù)的快速推廣應(yīng)用，為解決此問題，我們通過理論研究和大量生產(chǎn)實(shí)踐，總結(jié)出楔橫軋件疏松中空的影響因素及解決辦法，使疏松中空得到有效控制。

心部疏松是楔橫軋產(chǎn)品主要缺陷之一，嚴(yán)重時(shí)會(huì)形成孔洞，使工件強(qiáng)度降低，并最終導(dǎo)致零件失效。這也正是長期以來汽車、火車上的一些重要零件的生產(chǎn)制造不敢問津楔橫軋工藝的主要原因，進(jìn)而導(dǎo)致楔橫軋工藝發(fā)展緩慢、不能迅速推廣。為解決這一問題，我公司與北京科技大學(xué)產(chǎn)學(xué)研合作，經(jīng)過大量的理論研究和實(shí)際生產(chǎn)，總結(jié)出楔橫軋件疏松中空的影響因素和解決辦法。使楔橫軋件疏松中空得到有效控制，使這一高效、節(jié)材、環(huán)保、近凈成形的新工藝取代了噪聲大、污染嚴(yán)重、低效、費(fèi)材的普通鍛造工藝。

疏松的概念

在鑄件和鑄錠中所出現(xiàn)的組織不致密現(xiàn)象稱為疏松。疏松通常分為一般疏松和中心疏松。疏松等級(jí)共分4級(jí)，如圖1為中心疏松1～4級(jí)圖片。

用斜軋與楔橫軋工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品，在中心部位出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，用低倍顯微鏡觀察，可以看到許多彼此不相連接的小裂口帶，人們常常稱這種狀態(tài)為“疏松”，或稱之為曼內(nèi)斯曼破壞。這些彼此不相連接的裂口帶，其密集程度不同，標(biāo)志著金屬組織處于不同的疏松狀態(tài)。這些裂口繼續(xù)發(fā)展，金屬組織便產(chǎn)生連續(xù)性破壞，形成不規(guī)則的中心孔洞，即中空。

圖1 1～4級(jí)中心疏松

心部疏松產(chǎn)生的原因

鋼材心部疏松產(chǎn)生的原因：鋼液凝固時(shí)體積收縮引起的組織疏松及鋼錠中心部位因最后凝固使氣體析集和夾雜物聚集較為嚴(yán)重。

楔橫軋件疏松產(chǎn)生的原因：日本團(tuán)野敦和粟野泰吉認(rèn)為，疏松及孔腔的形成是由軋件中心區(qū)的交變拉應(yīng)力和剪應(yīng)變所導(dǎo)致。實(shí)踐和理論都說明，橫軋時(shí)，圓形毛坯在連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)中徑向小變形量壓縮時(shí)，毛坯除軸向延伸外，徑向也產(chǎn)生擴(kuò)展。因而在毛坯的心部產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)毛坯旋轉(zhuǎn)時(shí)，若軸向阻力過大，毛坯橫向擴(kuò)展積累，心部的拉應(yīng)力增加。當(dāng)達(dá)到材料強(qiáng)度極限時(shí)，心部就出現(xiàn)超過允許級(jí)別的疏松，甚至孔腔。

楔橫軋件疏松中空的影響因素

原材料

⑴原材料疏松越嚴(yán)重，軋件越容易疏松，嚴(yán)重時(shí)發(fā)展為孔洞。圖2為楔橫軋件實(shí)物圖，圖3為1#樣件軋制前后超聲波探傷傷波高度對(duì)比情況。表1為該產(chǎn)品軋制時(shí)，使用不同的原材料軋制前后超聲波探傷傷波高度的對(duì)比表。

在軋制圖2所示的產(chǎn)品時(shí)，過程檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)疏松，且疏松位置不固定，檢查模具、溫度均正常，復(fù)檢原材料（原料段）發(fā)現(xiàn)有點(diǎn)狀缺陷波。遂對(duì)原料段進(jìn)行了超聲波掃查探傷，挑出5段傷波在10%～40%的料段，編號(hào)為1#～5#，然后取5段同廠家同批次沒有傷波的料段，又取了5段不同廠家沒有傷波的料段，編號(hào)分別為6#～10#和11#～15#，在相同工藝下對(duì)其進(jìn)行軋制，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有傷波的原料段，軋制后傷波位置不固定，主要分布在圖1中的D1、D2、D8臺(tái)階，傷波高度在10%～100%之間，而探傷沒有傷波的料段中，同廠家、同批次的5段料段軋制后也出現(xiàn)了小于50%的傷波，而不同廠家的5段料段軋制后，除個(gè)別點(diǎn)有小于5%的點(diǎn)狀傷波外，其余均沒有傷波，說明本批原材料中6#～10#料段，雖探傷未發(fā)現(xiàn)問題，但整體致密度還是不好，因此軋后或多或少產(chǎn)生了傷波。

⑵原材料夾雜越嚴(yán)重，軋件疏松越厲害。夾雜物的熔點(diǎn)與金屬元素熔點(diǎn)不同，往往處于晶界位置，當(dāng)加熱原材料時(shí)，熔點(diǎn)較低的夾雜物首先熔化，使晶粒脫開，導(dǎo)致疏松甚至孔洞。

圖2 產(chǎn)品實(shí)物圖

圖3 1#樣件原材料傷波實(shí)測(cè)圖

表1 不同原材料軋制前后傷波對(duì)比

⑶原材料合金元素含量不同，其楔橫軋件疏松等級(jí)也不同。由于合金元素含量不同，其導(dǎo)熱性、塑性、韌性存在差異，一般合金元素較多時(shí)，變形抗力會(huì)增大，導(dǎo)致橫向力增加，當(dāng)達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生微觀裂紋形成疏松甚至孔洞。

軋制溫度

軋制溫度過高和過低都會(huì)產(chǎn)生疏松。軋制溫度過高，晶粒長大，使強(qiáng)度降低，組織容易被拉斷，產(chǎn)生微裂紋，導(dǎo)致疏松甚至孔洞；軋制溫度過低，材料的變形抗力增大，塑性、韌性變差，軸向阻力增大，毛坯橫向擴(kuò)展積累，心部的拉應(yīng)力增加，達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)，組織破裂，出現(xiàn)微裂紋導(dǎo)致疏松甚至孔洞。當(dāng)料段的溫度不均時(shí)，也容易造成疏松甚至孔洞。圖4所示為軋制溫度高造成中空的一些實(shí)例。

模具

⑴模具參數(shù)（斷面收縮率ψ、成形角α、展寬角β）對(duì)疏松中空的影響。

①斷面收縮率ψ小時(shí)，容易產(chǎn)生疏松。當(dāng)ψ小時(shí)，變形不易透入中心，多是表面變形，故軸向變形小而橫向變形大，形成較大的心部拉應(yīng)力。

圖4 軋制溫度過高造成中空實(shí)例

圖5 模具R角對(duì)疏松的影響

②成形角α小時(shí)，容易產(chǎn)生疏松。當(dāng)α小時(shí)，斜楔給毛坯的軸向拉力小，軸向變形小，易造成較大的橫向變形，形成較大的心部拉應(yīng)力。

③展寬角β。β過小時(shí)，相當(dāng)于徑向壓下量過小，于同一位置拉壓次數(shù)增加，容易產(chǎn)生橫向變形及心部的較大拉應(yīng)力。當(dāng)β過大（特別是在ψ較?。r(shí)，毛坯表面金屬不容易搟出去，這部分多余金屬在孔型頂面反復(fù)揉搓下，毛坯心部產(chǎn)生較大的拉力，以上兩種情況都容易產(chǎn)生疏松。

⑵模具磨損和修理對(duì)疏松中空的影響。

①模具磨損后，R角過大，易疏松。模具制作完成后，R角太?。▓D5a），容易將軸件拉細(xì)或拉斷，楔頂部位需要磨出一定的圓角R（圖5b），當(dāng)模具修理不當(dāng)或使用一段時(shí)間模具磨損后，模具的楔頂角R會(huì)變大（圖5c），相當(dāng)于α變小，容易產(chǎn)生疏松。

②模具修理。模具制作完成或使用過程中，需要對(duì)軋齊進(jìn)行修理，模具軋齊修理過度，會(huì)造成型腔中進(jìn)料太多，反復(fù)揉搓無法排出，橫向力增加，造成疏松甚至孔洞。在多臺(tái)階成形過程中，首先成形的臺(tái)階，在其他臺(tái)階成形時(shí)，仍然與型腔接觸，反復(fù)揉搓，易造成疏松，因此，當(dāng)臺(tái)階成形后，應(yīng)及時(shí)脫空。

總之，一切疏松均緣于軸件在型腔中軸向延展受阻，導(dǎo)致心部拉應(yīng)力過大。

下料

因材料的表面運(yùn)動(dòng)速度大于心部，當(dāng)下料長度不足時(shí)，心部會(huì)出現(xiàn)凹心，接近端頭部位的材料致密性降低，端頭部位形成孔洞（人們常把這種現(xiàn)象叫渦心）。如圖6所示為下料不足造成的端部孔洞。

圖6 因下料長度不足造成的端部孔洞

軋制速度

當(dāng)合金元素含量較多，延展性差，斷面收縮率太大等情況時(shí)，如果軋制速度過快，也會(huì)造成疏松。

楔橫軋件疏松中空的解決辦法

原材料

⑴原材料應(yīng)選用疏松等級(jí)較低，夾雜較少的材料，最好要求原材廠家對(duì)出廠材料進(jìn)行超聲波探傷，以控制原材料的內(nèi)部質(zhì)量，確保軋件疏松等級(jí)。

⑵原材等級(jí)與模具匹配。原材質(zhì)量較差時(shí)，可以通過修理模具，增大成形角α，改善軋件的疏松等級(jí)。因此應(yīng)根據(jù)原材料疏松等級(jí)、夾雜等級(jí)和合金元素含量，對(duì)模具進(jìn)行修理，使模具的成形角α適應(yīng)材料的疏松等級(jí)、夾雜等級(jí)和合金元素含量。

圖7 下料長度對(duì)疏松的影響

軋制溫度

⑴料段加熱時(shí)，應(yīng)確保料段芯表溫度，長度方向頭尾溫度盡量均勻；料段加熱后，應(yīng)根據(jù)降溫速度，設(shè)定其傳輸距離，溫度控制應(yīng)確保軋制時(shí)既有足夠的塑性和韌性，又不過熱過燒。

⑵中頻爐加熱料段時(shí)，常常因停起爐而使溫度不穩(wěn)，造成軸件溫度過高或過低，此時(shí)應(yīng)對(duì)停起爐時(shí)加熱的前1～2爐料段全部測(cè)溫，溫度不符合規(guī)范時(shí)，應(yīng)甩出，同時(shí)對(duì)溫度不穩(wěn)時(shí)軋制的產(chǎn)品全部進(jìn)行超聲波探傷。

模具參數(shù)選擇及維護(hù)保養(yǎng)

⑴當(dāng)斷面收縮率ψ較小時(shí)，應(yīng)選擇較大的成形角α角；反之，應(yīng)選擇較小的α角。為減少疏松，應(yīng)盡可能選擇較大的α角，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，α角可突破18°～30°的理論值，普遍增大4°～6°。

⑵當(dāng)斷面收縮率ψ＜35%時(shí)，應(yīng)選擇較小的β角，否則易疏松；當(dāng)ψ＞70%時(shí)，也應(yīng)選擇較小的β角，否則易縮頸；塑性較差的材料，也要選擇較小的β角。

⑶模具磨損R角增大時(shí)，應(yīng)及時(shí)焊補(bǔ)修理，防止疏松。

⑷應(yīng)經(jīng)常檢查模具，當(dāng)型腔中進(jìn)料太多或軸件與型腔接觸時(shí)間較長，接觸面增大時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行脫空、封料等處理，防止進(jìn)料過多導(dǎo)致疏松。

⑸當(dāng)材料成分不同、材料疏松等級(jí)、合金元素含量不同時(shí)，都應(yīng)根據(jù)材料特性，對(duì)模具進(jìn)行修理，使模具參數(shù)與材料匹配。

下料

為避免料段過短，形成端部孔洞，應(yīng)嚴(yán)格控制下料長度，確保一定大小的料頭，料頭太大，浪費(fèi)材料，料頭過小，容易產(chǎn)生端部疏松和孔洞。圖7a料頭大小較為合適，圖7b料頭過小，臨近料頭部位已疏松。

軋制速度

對(duì)于導(dǎo)熱性較差，斷面收縮率較大的材料，應(yīng)選擇較低的軋制速度。

此外，為防止不合格的疏松中空產(chǎn)品流入客戶端，應(yīng)從原料開始，直至成品整個(gè)過程，進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)。

結(jié)論

⑴所有的疏松都源于軸向排料不暢，橫向應(yīng)力集中，當(dāng)橫向拉力超過強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致軋件心部產(chǎn)生微觀裂紋，引起疏松甚至孔洞。

⑵一切措施都應(yīng)圍繞減小橫向拉應(yīng)力、增大材料抗拉強(qiáng)度這兩個(gè)中心因素實(shí)施。

⑶所有模具參數(shù)選擇、模具修理都應(yīng)以利于排料為目標(biāo)。