船用曲軸鋼S34MnV液芯鍛造研究

吳永強(qiáng)， 付文， 王開(kāi)坤， 楊艷

(1.北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100083；2.金川集團(tuán)股份有限公司 鎳鈷資源綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 金昌 737100)

大型金屬構(gòu)件一般由大型鑄錠鍛造而成，由于金屬凝固收縮而不可避免地產(chǎn)生大量的顯微縮孔和疏松缺陷，這些孔洞型缺陷彌散分布在鑄錠芯部[1-3]，破壞了材料的連續(xù)性。大型金屬構(gòu)件工作時(shí)要承受軸壓、軸拉、內(nèi)壓、外壓和局部應(yīng)力集中等多種復(fù)雜載荷，對(duì)鍛件的性能要求極高，采用傳統(tǒng)工藝制造的鍛件[4-6]難以滿足其使用要求。近年來(lái)，有研究人員提出連鑄坯液芯壓下新工藝，靠液芯部分溶質(zhì)富集區(qū)鋼液的反復(fù)擠出，破碎初生的樹(shù)枝狀晶，使其形成人為的結(jié)晶核心，從而加速其凝固，擴(kuò)大等軸晶區(qū)，縮小柱狀晶區(qū)，使偏析顯著降低，液芯壓下在凝固過(guò)程中板坯的厚度減小增加了等軸晶的數(shù)量，促進(jìn)了晶粒細(xì)化，減少了中間偏析，導(dǎo)致了微偏析更均勻分布，并抑制了宏觀偏析[7-9]。半固態(tài)成形工藝，即對(duì)溫度處于固相線溫度與液相線溫度之間的半固態(tài)金屬坯料進(jìn)行的成形工藝，其工藝特征是在金屬凝固時(shí)劇烈攪拌。金屬的凝固組織由枝狀晶轉(zhuǎn)變成球狀的等軸晶，從而制備出具有等軸、均勻、細(xì)小的初生相，并均勻的分布在液相中的懸浮半固態(tài)漿料[10-12]。本文在目前已有的連鑄坯液芯壓下工藝和半固態(tài)成形工藝基礎(chǔ)上，提出一種大型金屬構(gòu)件高均勻性短流程成形新方法，即液芯鍛造工藝，通過(guò)對(duì)船用曲軸鋼S34MnV[13-14]液芯鋼錠的鍛造過(guò)程模擬[15-16]，以消除金屬鑄錠內(nèi)部的縮孔疏松，減輕枝晶偏析等冶金缺陷，在鍛件芯部形成均勻細(xì)小的半固態(tài)組織，從而顯著提高大型金屬構(gòu)件的力學(xué)性能和整體性能的均勻性，縮短加工周期，降低對(duì)鍛造設(shè)備的要求，提高模具使用壽命，可有效的降低生產(chǎn)成本。

1 有限元模型建立

在液芯鍛造過(guò)程中，需要對(duì)鑄錠進(jìn)行軸向鐓拔，使鑄錠液芯處的樹(shù)枝晶充分破碎、球化，形成均勻細(xì)小的等軸晶組織，消除縮孔疏松和枝晶偏析，提高鑄錠組織性能的均勻性，對(duì)于大型軸類鍛件，拔長(zhǎng)工藝一般都是從圓截面坯料開(kāi)始進(jìn)行的。

設(shè)定初始圓鋼錠的尺寸為φ1 800 mm×2 100 mm，通過(guò)建立熱交換模型，控制冷卻時(shí)間獲得芯部為液態(tài)，不同坯殼厚度的初始模型。鍛壓過(guò)程采用上平砧下平臺(tái)的FM法，即無(wú)曼內(nèi)斯曼效應(yīng)的鍛造法。利用上平砧下平臺(tái)產(chǎn)生的不均勻變形，使鍛件芯部變形量增大，產(chǎn)生三向壓應(yīng)力，在較大范圍內(nèi)應(yīng)變均勻分布，有利于壓合鋼錠的芯部孔洞。由于上下砧變形量很小，在Deform-3D模擬中設(shè)置為剛體，上砧運(yùn)動(dòng)，壓下速度為150 mm/s。初始模型的材料參數(shù)如表1所示。

表1 有限元模擬初始參數(shù)

根據(jù)模擬的需要，建立模型，鍛造開(kāi)始前完整的有限元幾何模型如圖1所示。鋼錠表面均為自由表面，無(wú)邊界約束，且與環(huán)境、上下砧之間能發(fā)生熱交換。鍛造采用上平砧下平臺(tái)的FM鍛造法，砧寬設(shè)置為1 200 mm，上砧帶有半徑r=60 mm的圓角。鋼錠的液芯率與鋼錠尺寸、脫模時(shí)間、均熱時(shí)間有關(guān)。在本模擬研究中，鋼錠的液芯率通過(guò)鋼錠的坯殼厚度來(lái)表示，坯殼厚度越大，鋼錠液芯率越小。為分析鋼錠坯殼厚度對(duì)液芯鍛造過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變分布的影響，選取坯殼厚度為240 mm(鋼錠半徑900 mm)的鋼錠。模擬的液芯鍛造工藝流程為：對(duì)液芯鋼錠(坯殼厚度240 mm)進(jìn)行2道次壓平，壓下率25%，送進(jìn)量為1 200 mm，壓下速率為30 mm/s，第1道次結(jié)束后將液芯鋼錠翻轉(zhuǎn)90°進(jìn)行第2道次的壓下。

圖1 有限元幾何模型Fig.1 The finite element geometric model

2 液芯鍛造的變形特點(diǎn)

第1道次壓下時(shí)，壓下率25%，即壓下量450 mm，進(jìn)給量1 200 mm，壓下速率150 mm/s。將液芯鋼錠縱向剖開(kāi)，取軸向面ZOY剖面上軸線上5個(gè)特殊點(diǎn)，分別為點(diǎn)P1(接砧液芯處)，點(diǎn)P2(液芯處)，點(diǎn)P3(液態(tài)半固態(tài)交界處)，點(diǎn)P4(半固態(tài)區(qū))，和點(diǎn)P5(半固態(tài)固態(tài)交界處)，如圖2(a)。

圖2 第1道次縱橫截面取點(diǎn)Fig.2 The points in the longitudinal and cross section in step one

壓下過(guò)程3向受力(X橫向，Y軸向，Z徑向)變化如圖3(a)～(c)?？梢杂^察出以下規(guī)律：

1)除點(diǎn)P4、P5外X軸受力始終為壓應(yīng)力，且逐漸增大，點(diǎn)P5受力先為急劇增大的拉應(yīng)力，到達(dá)一定值后以一定速率下降一段時(shí)間，隨后以更小的速率穩(wěn)定下降；處于半固態(tài)區(qū)的點(diǎn)P4在最開(kāi)始?jí)合聲r(shí)短暫出現(xiàn)拉應(yīng)力，然后出現(xiàn)壓力并以一定速率增加，隨后進(jìn)入短暫的平臺(tái)期，再以一定的速率穩(wěn)定增加；P1、P2、P33點(diǎn)應(yīng)力變化趨勢(shì)相似，均為壓應(yīng)力先穩(wěn)固上升然后進(jìn)入平臺(tái)，然后再穩(wěn)固上升，再進(jìn)入短暫平臺(tái)后以一較小的速率穩(wěn)定增加，P1、P2曲線基本重合，說(shuō)明接砧處對(duì)液芯X軸應(yīng)力無(wú)影響，越接近液芯的位置，壓應(yīng)力越大；

2)Y軸方向5個(gè)點(diǎn)始終受壓應(yīng)力，隨壓下量的增加，壓力先直線增加，然后進(jìn)入短暫平臺(tái)，隨后以較小速率增加，再進(jìn)入小平臺(tái)，隨后以較穩(wěn)定速率增加。越接近液芯的位置，壓應(yīng)力越大；

圖3 第1道次縱橫截面特殊點(diǎn)3軸受力Fig.3 The three-axis force of the special points in the longitudinal and cross section in step one

3)Z軸方向受力變化趨勢(shì)與Y軸方向相似，且越接近液芯受壓力越??；同時(shí)可以看出，處于液相區(qū)的點(diǎn)3向受力更均衡。

將液芯鋼錠橫向剖開(kāi)，取徑向面ZOX剖面上水平線上5個(gè)特殊點(diǎn)，分別為點(diǎn)P1(液芯中央)、點(diǎn)P2(液芯區(qū))、點(diǎn)P3(液態(tài)半固態(tài)交界處)、點(diǎn)P4(半固態(tài)區(qū))和點(diǎn)P5(半固態(tài)固態(tài)交界處)，如圖2(b)。

壓下過(guò)程3向受力變化如圖3(d)～(f)?？梢杂^察出以下規(guī)律：

1)各點(diǎn)在X軸方向始終受壓力，壓應(yīng)力變化趨勢(shì)基本一致，隨壓下量的增加，壓力先直線增加，然后進(jìn)入短暫平臺(tái)，隨后以較小速率增加，再進(jìn)入小平臺(tái)，隨后以較穩(wěn)定速率增加；

2)Y軸方向始終受壓力。P1、P2、P3、P4壓力先直線增加，然后進(jìn)入短暫平臺(tái)，隨后以較小速率增加，再進(jìn)入小平臺(tái)，隨后以較穩(wěn)定速率增加；點(diǎn)P5壓應(yīng)力力先上升，上升速率減小，后期出現(xiàn)了壓力減小的情況；

3)Z軸受力變化與Y軸相似，越接近液芯位置，壓應(yīng)力越小，同樣可觀察到液芯處3向受力平衡。

第2道次壓下時(shí)將液芯鋼錠縱向剖開(kāi)，取軸向面ZOY剖面上軸線上5個(gè)特殊點(diǎn)，分別為點(diǎn)P1(接砧液芯處)、點(diǎn)P2(液芯處)、點(diǎn)P3(液態(tài)半固態(tài)交界處)、點(diǎn)P4(半固態(tài)區(qū))和點(diǎn)P5(半固態(tài)固態(tài)交界處)，如圖4(a)。

壓下過(guò)程3向受力變化如圖5(a)～(c)。可以觀察出以下規(guī)律：

1)軸線上的點(diǎn)X軸向受力，固態(tài)區(qū)的點(diǎn)開(kāi)始受拉應(yīng)力，隨著壓下量的增加轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，半固態(tài)區(qū)的點(diǎn)開(kāi)始沒(méi)有應(yīng)力，隨著壓下量的增加變?yōu)閴簯?yīng)力，液芯區(qū)的點(diǎn)一直受壓應(yīng)力，且壓應(yīng)力以較小的速率增加。

圖4 第2道次縱橫截面取點(diǎn)Fig.4 The points in the longitudinal and cross section in step two

2)Y軸應(yīng)力始終為壓應(yīng)力，先直線增加，進(jìn)入平臺(tái)后以較小速率增加，越接近液芯處，壓應(yīng)力越大。

3)Z軸受力始終為壓應(yīng)力，隨著壓下量的增加以穩(wěn)定的速率增加，越接近液芯位置，壓應(yīng)力越小，同樣可觀察到液芯處3向受力平衡。

將液芯鋼錠橫向剖開(kāi)，取徑向面ZOX剖面上水平線上5個(gè)特殊點(diǎn)，分別為點(diǎn)P1(液芯中央)、點(diǎn)P2(液芯區(qū))、點(diǎn)P3(液態(tài)半固態(tài)交界處)、點(diǎn)P4(半固態(tài)區(qū))、點(diǎn)P5(半固態(tài)固態(tài)交界處)如圖4(b)。壓下過(guò)程3向受力變化如圖5(d)～(f)。可以觀察出以下規(guī)律：

1)P4、P5點(diǎn)X軸受力開(kāi)始為拉應(yīng)力隨著壓下量的增加變成壓應(yīng)力，到達(dá)壓應(yīng)力最大值后呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，最終以穩(wěn)定速率增加，其他點(diǎn)X軸受力基本一致，壓應(yīng)力直線上升，然后進(jìn)入小平臺(tái)，隨后以較穩(wěn)定速率增加。

圖5 第2道次縱橫截面特殊點(diǎn)3軸受力Fig.5 The three-axis force of the special points in the longitudinal and cross section in step two

2)半固態(tài)區(qū)、半固態(tài)固態(tài)交界處的點(diǎn)開(kāi)始受拉應(yīng)力，隨著壓下量的增加轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力且急劇增加，然后呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，最終以穩(wěn)定速率增加；其他各點(diǎn)Y向受力為壓應(yīng)力，先直線上升，然后進(jìn)入平臺(tái)區(qū)，隨后以較穩(wěn)定速率增加。

3)Z軸液芯區(qū)的點(diǎn)受壓力，先直線上升然后進(jìn)入短暫平臺(tái)，隨后以較小速率增加。

比較2道次壓下時(shí)的液芯受力，可以發(fā)現(xiàn)，液芯處始終受壓力，且3向受力基本保持平衡；1道次液芯壓下壓應(yīng)力先穩(wěn)固上升然后進(jìn)入平臺(tái)，然后再穩(wěn)固上升，再進(jìn)入短暫平臺(tái)后以一較小的速率穩(wěn)定增加；而2道次液芯壓下壓力先有一段增長(zhǎng)，然后進(jìn)入短暫平臺(tái)，隨后以較穩(wěn)定速率增加，這可能是因?yàn)樵嚇邮芤淮螇合潞笠盒敬嬖跉堄鄳?yīng)力。

3 影響規(guī)律研究

3.1 壓下率對(duì)液芯鍛造的影響

圖6為坯殼厚度為450 mm的鋼錠在壓下率分別為25%、33%、42%、50%時(shí)液相率分布圖。從圖中可以看出，隨著壓下率的增大，坯殼在上砧的作用下擠壓液芯部分，鋼錠中心的鋼液發(fā)生流動(dòng)，液相區(qū)隨著壓下率的增大逐漸被擠入到非變形區(qū)。隨著液芯部分鋼液被擠出，變形區(qū)液芯體積減小，鋼錠中心處的液相率不斷減低，破碎初生的樹(shù)枝晶，加速鋼錠芯部凝固，從而達(dá)到改善偏析和消除疏松的目的。當(dāng)壓下率為50%時(shí)，鋼錠的液芯部分接近于被壓合，此時(shí)鋼錠芯部為組織性能較好的半固態(tài)等軸晶組織，但需要注意的是，在液芯鍛造過(guò)程中，隨著壓下率增大，鋼錠前端的坯殼受到液芯的擠壓作用向前凸起產(chǎn)生鼓形，且凸度隨著壓下率的增大而增大，同時(shí)接砧位置的坯殼厚度會(huì)不斷減薄，當(dāng)坯殼厚度過(guò)薄時(shí)，易發(fā)生漏鋼等問(wèn)題，導(dǎo)致后續(xù)的工步無(wú)法進(jìn)行。綜上所述，液芯鍛造壓下率應(yīng)小于20%。

圖7為壓下率對(duì)鋼錠金屬流動(dòng)的影響規(guī)律。箭頭的方向表示了金屬流動(dòng)方向，而箭頭的疏密表示了金屬的流動(dòng)量。從圖中可以看出，隨著壓下量的增大，在液芯的擠壓作用下，鋼錠前端的箭頭密度越來(lái)越大，鋼錠前端的材料流動(dòng)越來(lái)越多，使得鋼錠前端出現(xiàn)鼓形。對(duì)于鋼錠的非變形區(qū)，箭頭方向由徑向逐漸變?yōu)檩S向，說(shuō)明非變形區(qū)的材料流動(dòng)從最初的沿著壓下方向流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檠刂由旆较蛄鲃?dòng)，其長(zhǎng)度方向的材料不斷增加。

圖6 不同壓下率下液芯鋼錠的固液相分布Fig.6 The solid-liquid phase distribution of liquid core ingots at different reduction rates

圖7 不同壓下率下液芯鋼錠的金屬流動(dòng)分布Fig.7 The metal flow distribution of liquid core ingot at different reduction rates

不同壓下率下液芯鋼錠的等效應(yīng)變分布規(guī)律如圖8所示。從圖中可以看出，在鋼錠變形主要發(fā)生在液芯區(qū)和坯殼的接砧位置，隨著壓下率的不斷增大，鋼錠中心的應(yīng)變不斷增大，變形逐漸液芯部分的大變形區(qū)向著難變形區(qū)(液芯上下側(cè)坯殼)、自由變形區(qū)(鋼錠端部坯殼)以及未變形區(qū)液芯擴(kuò)展。隨著壓下率的增大，接砧位置坯殼的應(yīng)變量不斷增大，當(dāng)壓下率過(guò)大時(shí)，上砧圓角與鍛件表面接觸部分容易發(fā)生韌性斷裂，導(dǎo)致液芯流出。

圖8 不同壓下率下液芯鋼錠的等效應(yīng)變分布Fig.8 The equivalent variable distribution of the liquid core ingot at different reduction rates

3.2 坯殼厚度對(duì)液芯鍛造的影響

圖9為坯殼厚度分別為240、300、390、450 mm(對(duì)應(yīng)的液芯率分別為41%、32%、20%、14%)的液芯鋼錠在壓下率為30%，砧寬900 mm，經(jīng)過(guò)一次壓下后的等效應(yīng)力應(yīng)變曲線。

從圖中可以看出，隨著坯殼厚度的增加，液芯部分等效應(yīng)力先呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)屈服平臺(tái)之后以幾乎穩(wěn)定的增長(zhǎng)速率緩慢增長(zhǎng)，坯殼厚度較大的試樣在壓下的各個(gè)階段所受到的等效應(yīng)力普遍大于坯殼厚度較小的試樣。

3.3 壓下速度對(duì)液芯鍛造的影響

圖10為壓下速度分別為90、150、240 mm/s時(shí)，鋼錠液芯率20%，在壓下率為20%，砧寬900 mm，經(jīng)過(guò)一次壓下后的等效應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖9 坯殼厚度不同等效應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.9 The equivalent stress-strain curves under different shell thickness

圖10 壓下速度不同時(shí)等效應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.10 The equivalent stress-strain curves under different reduction velocities

隨著試樣的不斷被壓下，液芯部分等效應(yīng)力先是快速上升越過(guò)屈服階段后趨于平緩。壓下速率越快，不同試樣在被壓下的相同階段受到的等效應(yīng)力越小，且隨著壓下速率的增加，不同試樣在越過(guò)屈服階段后逐漸上升的趨勢(shì)變得更加的平緩。

4 液芯鍛造的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證Deform模擬結(jié)果的真實(shí)性，采用多層梯度物理模型來(lái)驗(yàn)證模擬結(jié)果，即將實(shí)際液芯鋼錠的溫度梯度通過(guò)不同材料的強(qiáng)度梯度來(lái)替代。將40 t鋼錠同比縮小30倍，制作φ60 mm×70 mm圓柱試樣；將液芯鋼錠視作3層，分別用鉛、塑性泥、水晶泥(聚丙烯酸鈉)來(lái)模擬液芯鋼錠的固相區(qū)、半固態(tài)區(qū)和液相區(qū)。將所制備的多層梯度物理模型在具有數(shù)據(jù)采集功能的壓力機(jī)上進(jìn)行1道次壓下試驗(yàn)。1道次壓下實(shí)驗(yàn)中，壓下量為18 mm，即壓下率為30%，進(jìn)給量為36 mm，即砧寬比為0.6，由于模型等比例縮小30倍，因此壓下速率為3 mm/s。以方便觀察壓下過(guò)程鋼錠形狀和固液相分布的變化，沿軸向方向切開(kāi)，觀察各區(qū)域金屬形狀，并與Deform模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖11(a)～(c)所示。從圖中可以觀察到壓下側(cè)壁有明顯鼓形，由于變形主要由中心的液芯部分(聚丙烯酸鈉)承擔(dān)，在液芯的擠壓作用下，部分坯殼發(fā)生軸向延伸，不同坯殼厚度的下行壓力隨相對(duì)壓下量的變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖12，與模擬結(jié)果變化趨勢(shì)基本一致如圖9所示。

圖11 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比Fig.11 The comparisons between experimental results and simulation results

圖12 不同坯殼厚度時(shí)下行壓力隨相對(duì)壓下量變化Fig.12 The variation of downward pressure with relative reduction under different shell thickness

5 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)2道次壓下時(shí)選取的不同點(diǎn)應(yīng)力分析，液芯處始終受壓力，且3向受力基本保持平衡；1道次液芯壓下受壓力先勻速增加然后有短暫降低，再繼續(xù)下降，然后有較小的降低，再以勻速增加；而2道次液芯壓下壓力先有一段增長(zhǎng)，然后又降低至零，再進(jìn)入近似勻速增長(zhǎng)的階段。

2)通過(guò)應(yīng)用Deform-3D軟件中熱力耦合模型模擬不同壓下率和坯殼厚度下液芯鍛造過(guò)程，獲得了金屬流動(dòng)規(guī)律、應(yīng)變分布規(guī)律及液芯分布狀況，為了保證鋼錠的組織均勻性和表面質(zhì)量，液芯鍛造的壓下量應(yīng)小于20%。

3)當(dāng)坯殼厚度不同，隨著坯殼厚度的增加，液芯部分的等效應(yīng)力增大，當(dāng)壓下速度不一樣，隨著壓下速度增加，液芯部分等效應(yīng)力減少。