外筒鍛件低倍粗晶成因分析及解決

文／江斌，謝帥，楊宏偉·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)的鋁合金模鍛件外筒（圖1），下料規(guī)格為φ200mm×500mm，材料為LD10，已經(jīng)連續(xù)兩批出現(xiàn)低倍粗晶問題，嚴重影響交期，引起客戶的抱怨。本文主要討論在鋁合金模鍛件生產(chǎn)過程中避免或減少粗晶缺陷的措施。

圖1 鍛件實物

問題描述

該鍛件產(chǎn)品連續(xù)兩批終檢理化檢測時發(fā)現(xiàn)低倍粗晶，低倍照片如圖2所示。不能滿足技術(shù)協(xié)議要求（低倍粗晶應(yīng)不大于GB/T 3246.2-2000中圖6中4級要求，允許少量粗晶達到圖7中5級要求)，整批報廢。

原因分析

⑴原材料粗晶環(huán)的影響。

圖2 17KH、18KH批低倍粗晶照片

粗晶環(huán)在變形時不易充分破碎導致回復(fù)與再結(jié)晶時呈弓形向金屬內(nèi)部長大，最終導致鍛件粗晶。

⑵化學成分的影響。

當合金中含有Fe、Mn、Cr、Zr等元素時能生成FeAl3、MnAl6、CrAl3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。LD10牌號合金屬Cu-Al基合金，其所含的Fe、Mn元素是少量的，且不含Cr、Zr元素，無法形成較多的彌散相。這就為該鋁合金在熱加工時產(chǎn)生粗晶埋下了隱患。

⑶變形量及變形程度的影響。

當變形劇烈且變形量落入臨界變形區(qū)仍繼續(xù)鍛造易產(chǎn)生粗晶。

⑷終鍛溫度的影響。

當終鍛溫度低于380℃仍繼續(xù)鍛造，特別是溫度低于350℃時該合金極易產(chǎn)生粗晶。

基于以上四點分析，結(jié)合鍛件生產(chǎn)工藝流程：原材料復(fù)驗→下料→電爐加熱(溫度470℃，裝爐量≤6件，保溫300～660min)→3t自制坯→酸洗→打磨→電爐加熱(溫度460℃，裝爐量≤6件，保溫230～580min)→10t模鍛一火(欠壓9～10mm)→割邊→酸洗→打磨→電爐加熱(溫度460℃，裝爐量≤6件，保溫230～580min)→10t模鍛二火(欠壓6～7mm)→800t切邊→酸洗→打磨→熱處理→終檢→合格入庫。通過比較，該批投入生產(chǎn)原材料無粗晶環(huán)，滿足要求。自由鍛制坯變形量在45%～60%，模鍛每火次變形量在30%左右，沒有落入臨界變形區(qū)，也符合要求。自由鍛制坯階段一件原材料從出爐到制坯結(jié)束，需要9～10min，模鍛生產(chǎn)一件鍛件需要5～6min，根據(jù)經(jīng)驗，鋁合金溫降速率約1℃/3s，自由鍛與模鍛生產(chǎn)結(jié)束時，終鍛溫度均低于350℃，是引起最終鍛件粗晶的主要原因。

為了驗證我們的分析：終鍛溫度過低是導致鍛件粗晶的主要原因，我們做了工藝試驗，試驗方案為：按工藝要求投產(chǎn)1件加長鍛件，自由鍛制坯結(jié)束后，分別鋸下大端、小端進行低倍檢測（圖3），剩余毛坯按工藝繼續(xù)生產(chǎn)，最終解剖鍛件低倍檢測。對鍛件粗晶的產(chǎn)生進行再現(xiàn)。

圖3 工藝試驗低倍取樣圖

制坯后分別沿M-M1，N-N1切取低倍試樣，經(jīng)固溶后，低倍檢測，結(jié)果如圖4所示。

圖4 低倍試樣取樣實物

模鍛結(jié)束后，鍛件低倍結(jié)果如圖5所示。

從圖4、圖5中我們可以很清楚的看到，自由鍛制坯存在鍛件表面粗晶，模鍛后，表面粗晶向鍛件內(nèi)部擴展。鍛件低倍粗晶確因終鍛溫度過低導致。

⑸鍛模預(yù)熱溫度。

模具溫度過低會加速型腔內(nèi)金屬冷卻，從而使金屬的變形溫度過低，令金屬難以充滿型腔且可能在鍛件表面形成粗晶。模具的預(yù)熱溫度與鍛件的形狀與合金牌號有關(guān)，根據(jù)LD10的材料特性，模具預(yù)熱溫度定為350℃，保溫時間＞4h。

圖5 鍛件低倍結(jié)果

圖6 毛坯低倍組織

圖7 19KH低倍組織

解決措施

優(yōu)化、細化工藝流程，完善工藝參數(shù)設(shè)置。改進后的工藝流程：原材料復(fù)驗→下料→電爐加熱(溫度460℃，裝爐量≤7件，保溫280～420min)→3t自制坯(分兩火次進行，一火鍛造時間控制在4.5min內(nèi)，二火鍛造時間控制在3.5min內(nèi))→酸洗→打磨→電爐加熱(溫度460℃，裝爐量≤12件，保溫210～400min)→10t模鍛一火(欠壓12～15mm)→割邊→酸洗→打磨→電爐加熱(溫度460℃，裝爐量≤12件，保溫180～300min)→10t模鍛二火(欠壓≤3mm)→800t冷切邊→酸洗→打磨→熱處理→終檢→合格入庫。

工藝優(yōu)化后，根據(jù)需要，進行了小批試制驗證。19KH批次從下料到交付的所有環(huán)節(jié)均符合新版工藝的要求，且工藝、技術(shù)、質(zhì)量相關(guān)人員全程跟產(chǎn)。最終產(chǎn)品全部合格交付用戶。19KH批次投產(chǎn)時多投一件進行工藝試驗，其制坯階段的整體低倍如圖6所示。

工藝細化后，制坯階段采用兩火次成形，可以有效防止終鍛溫度低于350℃鍛造產(chǎn)生粗晶。事實驗證，工藝調(diào)整后，毛坯低倍組織，晶粒細而均勻，無粗晶。終檢試驗件經(jīng)解剖低倍檢測合格，如圖7所示。從圖中可以看出，最終鍛件低倍組織均勻合理分布，滿足客戶要求。

結(jié)論

⑴原材料若有粗晶環(huán)，必須通過機加排除干凈；

⑵保溫時間嚴格按工藝要求執(zhí)行，達到最小保溫時間必須出爐鍛造；

⑶自由鍛制坯階段分兩個火次完成，一火生產(chǎn)時間控制在4.5min以內(nèi)，二火生產(chǎn)時間控制在4min以內(nèi)；

⑷明確模鍛火次為兩火，不允許隨便增減火次，一火后保留欠壓15mm，二火欠壓≤3mm。