夾雜物引起的旋壓缺陷特征及控制措施

王曉勤， 陳桂玲， 郭 軍

（1. 山西汾西重工有限公司，太原 030027；2. 晉西工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，太原 030027）

0 引言

強(qiáng)力旋壓是通過旋輪對(duì)工件的極小部分施加壓力實(shí)現(xiàn)局部變形，再通過工件的旋轉(zhuǎn)和旋輪的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)而沿螺旋線逐步推進(jìn)，完成整個(gè)工件的成形工作。旋壓變形只發(fā)生在工件與旋輪接觸面附近一個(gè)很小的范圍內(nèi)，金屬受壓后同時(shí)向軸向、周向和徑向3個(gè)方向流動(dòng)。其中，軸向?yàn)榻饘倩玖鲃?dòng)方向，其他2個(gè)方向相都很小。旋壓成形是多因素耦合作用下的復(fù)雜的連續(xù)局部加載成形過程，影響因素眾多，包括材料、幾何、工模具等。由于構(gòu)件壁薄和材料顯著硬化，使旋壓成形中極易出現(xiàn)破裂等缺陷。同時(shí)由于旋壓成形過程中材料會(huì)承受復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)并經(jīng)歷劇烈的不均勻塑性變形，加之原材料存在的各向異性以及冶金缺陷等，使得旋壓成形中破裂的精確預(yù)測非常困難。旋壓成形精度高、表面光潔度好、材料利用率高[1-5]。

目前，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、兵器、化工、冶金等領(lǐng)域，主要用于薄壁回轉(zhuǎn)體類零件的成形。特別是兵器工業(yè)，強(qiáng)力旋壓推廣應(yīng)用速度令人注目，各種殼體、艙段累計(jì)年生產(chǎn)數(shù)量近百萬件，生產(chǎn)過程不可避免地暴露出一些問題，最常見的是夾雜物引起的缺陷[6-7]。本研究針對(duì)多年生產(chǎn)過程中夾雜物引起的典型旋壓缺陷進(jìn)行總結(jié)、歸類，分析產(chǎn)生原因、對(duì)本產(chǎn)品的影響及預(yù)防措施，以期為工程應(yīng)用提供有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)。

1 典型缺陷分類及宏觀特征

強(qiáng)力旋壓適用的材料十分廣泛，如碳鋼、合金鋼、不銹鋼、鋁合金、鎂合金、黃銅、鈦合金等塑性好的金屬材料都可以旋壓。各類武器系統(tǒng)的殼體、艙段類薄壁件多數(shù)采用旋壓成形，應(yīng)用較多的材料有 35、45、30CrMnSi、35CrMo、40Cr、406A、D6AC、D6AE、18%Ni-350等。筒形件加工工藝流程大致為：管材下料→旋前熱處理→旋前毛坯機(jī)加→旋壓→熱處理，旋壓總減薄率ε一般不少75%，分二至四道次旋壓成形。材料的可旋性主要是均勻斷面收縮率，實(shí)際生產(chǎn)過程主要通過提高旋坯的塑性、良好的金相組織和良好的材料純凈度來保證[8-9]。旋前熱處理可以改善塑性和金相組織，但難以改變材料純凈度。所以，生產(chǎn)過程暴露最多的問題是夾雜物引起的缺陷。夾雜物引起的旋壓缺陷根據(jù)產(chǎn)生部位、宏觀特征大致可分為3類：起皮、起泡及分層，起皮嚴(yán)重時(shí)可能引起開裂，具體特征與材料牌號(hào)關(guān)系不大。

1.1 起皮

起皮原因有多種，形狀各異。夾雜物引起的起皮走向?yàn)榭v向（即軸向），邊緣可見明顯的周向擠壓變形、塑性撕裂（起皮邊緣），起皮長度、深淺不一。一般情況下，旋壓件外表面出現(xiàn)幾率及嚴(yán)重程度高于內(nèi)表面（圖1）。

起皮可以發(fā)生在每一道次旋壓，隨機(jī)出現(xiàn)在產(chǎn)品的內(nèi)、外表面。原因是旋壓變形主要表現(xiàn)壁厚的減薄和長度的增長，在此過程不斷產(chǎn)生新的表面，內(nèi)部的夾雜物也隨之暴露在表面，變形后導(dǎo)致起皮。因原材料夾雜物大小不一致，進(jìn)而起皮深淺不一，起皮的大小不是夾雜物自身大小，夾雜物已經(jīng)過旋壓變形。起皮的走向?yàn)閵A雜物的分布方向，因旋壓過程金屬變形存在極少量的周向流動(dòng)，起皮可能出現(xiàn)少量偏離軸向的傾斜（圖1a）。起皮出現(xiàn)外表面幾率及嚴(yán)重程度大于內(nèi)表面原因是旋壓過程外表面的變形量大于內(nèi)表面。嚴(yán)重起皮存在局部剝落，剝落處表面光亮（圖1b）；輕微起皮邊緣?mèng)~鱗狀不明顯，甚至沒有，表現(xiàn)為無光澤的線條（圖1c）。

圖1 40Cr起皮的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of 40Cr peeling

1.2 起泡

起泡易出現(xiàn)于鋁合金的擠壓成型過程，多為圓形或橢圓形，主要原因是熱加工過程空氣、水汽和油污等裹入鋁合金皮下引起的[10]，黑色金屬不常見。但殼體類筒形件在旋壓過程有時(shí)出現(xiàn)起泡現(xiàn)象，而且多發(fā)生于內(nèi)表面，長條形起泡，單條或多條并行，具體形貌見圖2。

起泡多發(fā)生于內(nèi)表面，主要與旋壓變形規(guī)律及殘余應(yīng)力分布有關(guān)。旋壓變形過程表現(xiàn)為壁厚的減薄和長度的增大，材料在流動(dòng)過程將受到旋輪和芯模的摩擦作用而改變其流動(dòng)狀況[11]。不論反旋還是正旋，芯模給予旋壓件內(nèi)表面的摩擦力都是與金屬的流動(dòng)方向相反的；因此，它使旋壓件內(nèi)表面金屬的流動(dòng)速率減低，并使旋壓件沿厚度方向產(chǎn)生速度梯度。金屬流動(dòng)速率的不均勻性造成變形的不均勻，產(chǎn)生附加應(yīng)力，使內(nèi)層金屬產(chǎn)生軸向附加拉應(yīng)力，外層金屬則產(chǎn)生軸向附加壓應(yīng)力。夾雜物的存在會(huì)降低材料的塑性，局部破壞金屬材料連續(xù)性，增大變形的不均勻性。當(dāng)夾雜物位于旋壓件內(nèi)表面近表層時(shí)，會(huì)增大內(nèi)層金屬軸向附加拉應(yīng)力，致使內(nèi)表層因變形不同步沿夾雜物產(chǎn)生不連續(xù)，旋壓應(yīng)力釋放后較薄的表層金屬發(fā)生凸起，尤其旋壓后熱處理，內(nèi)部氣體膨脹或變形使其孔隙增大，導(dǎo)致起泡。

圖2 起泡宏觀形貌Fig.2 Foaming macroscopic morphology

1.3 分層

分層位于殼體的內(nèi)部，肉眼檢查不能發(fā)現(xiàn)，需要通過超聲檢測，超聲檢測呈區(qū)域性草波，解剖后的宏觀特征見圖3。

分層出現(xiàn)幾率較低，個(gè)別冶金爐出現(xiàn)，而且每個(gè)冶金爐出現(xiàn)的數(shù)量多數(shù)為1件，極個(gè)別情況下出現(xiàn)2件。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因是旋壓件旋前基體中存在集聚性夾雜物，這種集聚性夾雜物只存在原材料的頭部，多是原材料頭部切除偏短、殘留澆注冒口處缺陷所致。集聚性夾雜物局部破壞金屬材料連續(xù)性，降低該區(qū)域材料的塑性，增大該區(qū)域變形的不均勻性，氧化物或鋁酸鹽等脆性夾雜物旋壓后被破碎為小塊，分散于金屬基體中，減輕了它們對(duì)材料輕度的影響；而硫化物等塑性夾雜物隨著旋壓變形被減薄、拉長，形成帶狀，隨著變形的加大、變形的不均勻性加劇，沿變形的夾雜物產(chǎn)生分層。分層位于內(nèi)部，兩側(cè)的厚度較厚，旋壓應(yīng)力的釋放、加熱變形或內(nèi)部有氣體，都不會(huì)改變分層兩側(cè)的表面狀態(tài)，外表面與產(chǎn)品保持較好的一致性，外觀無差異。

圖3 D6AE 分層宏觀形貌Fig.3 D6AE stratified macroscopic morphology

2 金相分析

從缺陷區(qū)域取樣，嚴(yán)重的起皮區(qū)域能觀察到夾雜物存在，輕微的起皮夾雜物很少，有的尚未超過2級(jí)；但起泡及分層區(qū)域均可以看到明顯的夾雜物，甚至存在嚴(yán)重的夾雜物集聚現(xiàn)象。起皮、起泡及分層區(qū)域夾雜物的形貌見圖4，以氧化物為主。

對(duì)起皮、起泡缺陷處進(jìn)行組織分析，缺陷內(nèi)部均未見明顯的脫碳現(xiàn)象，缺陷尖端的基材組織塑性變形連續(xù)，缺陷處均未見明顯的的紊亂或彎折變形痕跡（圖5、圖6）。通過金相顯微鏡，對(duì)夾雜物引起的不同起皮進(jìn)行深度測量，除個(gè)別嚴(yán)重起皮外，起皮深度一般不超過0.10 mm。表面折疊、尖銳劃傷等缺陷在旋壓過程也會(huì)產(chǎn)生起皮，這類起皮在缺陷尖端基材組織均存在明顯彎折塑性變形痕跡，嚴(yán)重時(shí)金屬流線出現(xiàn)旋渦狀，而且表面折疊產(chǎn)生的起皮附近還會(huì)存在表面脫碳[12]（圖7、圖8）。表面折疊、尖銳劃傷引起的起皮較深，產(chǎn)品一般報(bào)廢處理。

圖4 缺陷區(qū)域夾雜物特征Fig.4 Inclusion characteristics of defect region

圖5 表面起皮處組織形貌 (40Cr)Fig.5 Morphology of surface peeling (40Cr)

圖7 表面折疊引起起皮處組織形貌 (40Cr)Fig.7 Morphology e of surface folding peeling (40Cr)

圖6 內(nèi)表面起泡處組織形貌 (D6AE)Fig.6 Morphology of inner surface bubbles (D6AE)

圖8 嚴(yán)重劃傷引起起皮處組織形貌 (40Cr)Fig.8 Morphology of surface scoring peeling (40Cr)

3 電鏡及能譜分析

采用機(jī)械方法將起皮區(qū)域表層局部剝離，觀察起皮區(qū)域，內(nèi)部呈磨損形貌并可見較多顆粒狀物質(zhì)，起皮典型形貌見圖9，應(yīng)為氧化物。沿橫截面取樣進(jìn)行觀察及能譜分析，結(jié)果表明，起皮區(qū)域的氧化物主要含有O、Al、Si、Ti元素（部分氧化物還含有少量Zr、Ca元素），形貌及能譜圖見圖10。

沿橫截面從起泡區(qū)域內(nèi)取樣進(jìn)行觀察及能譜分析，結(jié)果表明：起泡區(qū)域內(nèi)也均存在氧化物，起泡區(qū)域內(nèi)的氧化物主要含有O、Si、Mn、Ti元素，形貌及能譜圖見圖11。

分層區(qū)域從金相分析可見明顯的夾雜物，通過能譜分析，主要含有O、Si、Mn、Ti等元素，也為氧化物。

在旋壓產(chǎn)生強(qiáng)烈的冷變形過程，原來存在于材料內(nèi)部的缺陷會(huì)擴(kuò)展和暴露到表面上來，形成表面疵病或內(nèi)部缺陷[12-13]。通過電鏡及能譜分析，導(dǎo)致旋壓件表面起皮、起泡及內(nèi)部分層的材料缺陷主要是金屬夾雜物，而且以氧化物為主。

圖9 起皮區(qū)域內(nèi)部典型形貌Fig.9 Typical morphology of the peeling area

圖10 起皮區(qū)域橫面形貌及能譜分析譜圖Fig.10 The cross section morphology and energy spectrum analysis of the peeling area

圖11 起泡區(qū)域橫截面形貌及能譜分析譜圖Fig.11 Cross section morphology and energy spectrum analysis of the bubbling area

4 產(chǎn)品危害及預(yù)防控制措施

4.1 產(chǎn)品危害

起皮由夾雜物引起，多數(shù)情況下夾雜物級(jí)別很低，而且氧化物居多，即使夾雜物級(jí)別2級(jí)以下也可能引起表面起皮。該類起皮深度多數(shù)較淺，一般在0.1 mm以下，因氧化物旋壓后被破碎為小塊，分散于金屬基體中，減輕了對(duì)材料性能的影響；因此，夾雜物引起的輕微起皮對(duì)筒形旋壓件的強(qiáng)度及耐內(nèi)壓能力無明顯影響，拉伸試驗(yàn)強(qiáng)度及水壓試驗(yàn)結(jié)果與正常產(chǎn)品也無明顯差別，對(duì)于輕微的表面起皮，可以通過局部打磨去除，然后檢測厚度，產(chǎn)品壁厚不低于最小厚度時(shí)允許使用，否則予以報(bào)廢。起泡及分層均由集聚夾雜物引起，超聲波檢測缺陷波很明顯，夾雜物等級(jí)及旋壓后缺陷等級(jí)均超過標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)要求，這類缺陷對(duì)產(chǎn)品有效尺寸影響較大，產(chǎn)品多數(shù)予以報(bào)廢。

4.2 預(yù)防控制措施

1）起泡及分層通過對(duì)旋前毛坯進(jìn)行超聲檢測可以減少，甚至可以避免；也可以采取對(duì)旋壓后產(chǎn)品進(jìn)行超聲檢測予以剔除。

2）起皮需要通過提高原材料純凈度來預(yù)防和控制，對(duì)旋前毛坯進(jìn)行超聲檢測及磁粉檢測解決不了純凈度低引起的起皮問題。

3）通過旋前熱處理可以提高材料塑性，減少金屬夾雜物對(duì)起皮的影響，使旋壓件表面起皮變輕，但不能避免起皮。

旋壓成形因精度高、表面質(zhì)量好、材料利用率高，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、兵器等領(lǐng)域。旋壓是通過旋輪對(duì)工件的極小部分施加壓力實(shí)現(xiàn)局部變形，進(jìn)而完成整個(gè)工件成形。旋壓過程金屬受壓后同時(shí)向軸向、周向和徑向3個(gè)方向流動(dòng)，使得原材料中的金屬夾雜物形態(tài)也隨之發(fā)生變化，原來存在于材料內(nèi)部的金屬夾雜物會(huì)擴(kuò)展和暴露到表面上來，形成表面起皮、起泡及內(nèi)部分層。金屬夾雜物以氧化物為主，氧化物和鋁酸鹽等脆性夾雜物在旋壓變形中被破碎成小塊，分散于金屬基體中，因而減輕了它們對(duì)材料強(qiáng)度的影響；因此，金屬夾雜物導(dǎo)致的起皮、起泡對(duì)旋壓件性能影響較小，去除后在保證最小壁厚的情況下可以正常使用。分層是集聚性夾雜物引起的，出現(xiàn)的幾率很低，通過超聲波檢測可以單件剔除，不影響其余產(chǎn)品的正常使用。

5 結(jié)束語

由于旋壓成形過程中材料會(huì)承受復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)并經(jīng)歷劇烈的不均勻塑性變形[6]，薄壁筒形件旋壓工藝本身是對(duì)材料冶金質(zhì)量的嚴(yán)酷考核，甚至超聲波檢測和磁粉檢測不能發(fā)現(xiàn)的夾雜物，一旦暴露在旋壓件表面，就表現(xiàn)為肉眼可見的起皮。雖然通過旋前熱處理及旋壓工藝參數(shù)的合理取值，可以有效抑制旋壓缺陷的產(chǎn)生，但對(duì)夾雜物引起的缺陷抑制作用很??；因此，為獲得理想的旋壓產(chǎn)品質(zhì)量，必要嚴(yán)格控制原材料的純凈度。對(duì)于壁厚差要求較嚴(yán)、力學(xué)性能要求較高的超高強(qiáng)度鋼旋壓，原材料應(yīng)采用真空熔煉、真空（或保護(hù)氣氛）電渣重熔的冶煉方法。