大型鍛件高溫?cái)U(kuò)散工藝及缺陷修復(fù)機(jī)理淺析

陳杰 李其 賈旭征 謝軍

(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川 德陽(yáng) 618000)

大型鍛件是重大裝備及大型工程建設(shè)的基礎(chǔ)零部件，廣泛用于冶金、航天航空、船舶、石油化工等行業(yè)。大型鍛件對(duì)質(zhì)量要求高，一般都有非常嚴(yán)格的超聲檢測(cè)要求。因此，為了提高大鍛件的內(nèi)部質(zhì)量，許多學(xué)者作了大量的研究。然而，多數(shù)學(xué)者主要著力于研究冶煉過(guò)程中鋼液的純凈度和鍛造過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變分布，很少有學(xué)者研究鍛造過(guò)程中的高溫?cái)U(kuò)散對(duì)大鍛件的內(nèi)部質(zhì)量影響。本文著重研究了高溫?cái)U(kuò)散對(duì)大型鍛件超聲檢測(cè)缺陷的影響，希望對(duì)大鍛件的制造有一些啟發(fā)。

1 高溫?cái)U(kuò)散工藝

鋼錠在凝固過(guò)程中受“溫度過(guò)冷”和“成分過(guò)冷”的影響，均存在一定程度的偏析，鋼錠越大偏析越嚴(yán)重。偏析又分為宏觀偏析和微觀偏析，宏觀偏析是指鋼錠沿軸向和徑向化學(xué)成分分布不均勻的現(xiàn)象，從圖1鋼錠內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖可知[1]，宏觀偏析主要有正偏析、負(fù)偏析、V型偏析、A偏析等。

圖1 鋼錠內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of internal structure of steel ingot

微觀偏析是指晶?；蚓Ы绶秶鷥?nèi)的成分不均勻分布的現(xiàn)象，微觀偏析又稱(chēng)為“枝晶偏析”[2]。枝晶偏析是由于鋼液在凝固過(guò)程中枝晶生成時(shí)，不斷地向液相中排出溶質(zhì)，從而富集于枝晶之間而形成的[3-4]。枝晶偏析造成的組織、化學(xué)成分的不均勻分布，不但會(huì)降低材料的熱加工性能，而且會(huì)降低產(chǎn)品的力學(xué)性能和質(zhì)量，影響產(chǎn)品的使用壽命。高溫?cái)U(kuò)散工藝是指將鋼錠或坯料在高溫下長(zhǎng)時(shí)間加熱保溫，以減輕或消除化學(xué)成分分布不均勻現(xiàn)象，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)均勻化處理過(guò)程，實(shí)踐證明，高溫?cái)U(kuò)散可有效減輕枝晶偏析。在實(shí)際生產(chǎn)中，有的企業(yè)將高溫?cái)U(kuò)散工序設(shè)計(jì)在鋼錠狀態(tài)中，有的企業(yè)將高溫?cái)U(kuò)散工序設(shè)計(jì)在鍛造過(guò)程的各個(gè)火次中。鋼錠狀態(tài)屬于粗大的鑄態(tài)組織，結(jié)構(gòu)不太緊密，固溶體內(nèi)部出現(xiàn)了間斷，擴(kuò)散效果最差；但對(duì)于裂紋敏感性強(qiáng)、可鍛性較差的材料，在鋼錠狀態(tài)中的高溫?cái)U(kuò)散可提升材料的可鍛性能。

針對(duì)相同材料來(lái)說(shuō)，影響高溫?cái)U(kuò)散效果最主要的工藝參數(shù)為加熱溫度和保溫時(shí)間，由于在加熱過(guò)程中鋼錠或坯料的表層與心部始終存在溫度梯度，因此在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，將坯料的截面也作為一個(gè)影響高溫?cái)U(kuò)散效果的因素。根據(jù)金屬學(xué)擴(kuò)散理論和傳熱學(xué)原理，30Cr1Mo1V材料在奧氏體溫度范圍內(nèi)，每小時(shí)擴(kuò)散參數(shù)按式(1)計(jì)算：

k=1.8032×1014exp(-28985.5/T)/d2

(1)

式中，k是每小時(shí)擴(kuò)散參數(shù)(h-1)；T是擴(kuò)散溫度(K)；d是坯料直徑(mm)。

各火次的累計(jì)總擴(kuò)散參數(shù)按式(2)計(jì)算：

K=∑kiti

(2)

式中，ki為第i火次時(shí)間的擴(kuò)散參數(shù)；ti為第i火次的時(shí)長(zhǎng)。

應(yīng)用式(1)，設(shè)溫度為1250℃，得到擴(kuò)散參數(shù)k：

k=1.8032×1014exp[-28985.5/(1250+273)]/d2

(3)

式(3)除以式(1)，得到比值n，即任意溫度下需要多少倍的時(shí)間，才能達(dá)到1250℃單位時(shí)間的相同擴(kuò)散效果，計(jì)算式為：

n=exp(28985.5/T-19.0322)

(4)

應(yīng)用式(4)，計(jì)算不同溫度下達(dá)到1250℃單位時(shí)間內(nèi)相同擴(kuò)散效果的時(shí)間倍數(shù)如表1所示。

表1 不同溫度下相對(duì)1250℃等效擴(kuò)散的時(shí)間倍數(shù)nTable 1 The time multiple n of the equivalent diffusion relative to 1250 ℃ at different temperatures

從表1可以看出，在直徑不變的條件下，溫度越低，擴(kuò)散效果越差。擴(kuò)散溫度1100℃要達(dá)到1250℃時(shí)的相同擴(kuò)散效果，則保溫時(shí)間須增加到1250℃的8倍。因此，在鍛造生產(chǎn)過(guò)程中，一般考察1100℃及以上加熱溫度累計(jì)總擴(kuò)散參數(shù)才有實(shí)際參考意義。各火次的擴(kuò)散參數(shù)分別用k1、k2、k3…表示，總擴(kuò)散參數(shù)累計(jì)相加，用∑k表示。應(yīng)用式(1)和式(2)計(jì)算出各火次的擴(kuò)散參數(shù)和總擴(kuò)散參數(shù)。總擴(kuò)散參數(shù)的大小可用于考量大型鍛件鍛造過(guò)程的擴(kuò)散效果。

2 高溫?cái)U(kuò)散修復(fù)缺陷機(jī)理探討

良好的超聲波穿透性和材料均質(zhì)性是高質(zhì)量大鍛件的重要標(biāo)志之一，這要求鍛件內(nèi)部致密，化學(xué)成分均勻。鋼錠內(nèi)部不可避免地存在著空洞性缺陷和夾雜性缺陷[1]。長(zhǎng)期以來(lái)，眾多的研究多集中于通過(guò)控制冶煉和鍛造過(guò)程來(lái)消除鋼錠的冶金缺陷，并在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。但對(duì)大型鑄鍛件高溫?cái)U(kuò)散過(guò)程對(duì)缺陷的影響卻鮮有報(bào)道，本文依據(jù)少量的參考文獻(xiàn)、理論分析和實(shí)際生產(chǎn)總結(jié)，簡(jiǎn)要闡述了高溫?cái)U(kuò)散對(duì)無(wú)夾雜物的空洞性缺陷與夾雜性缺陷的修復(fù)機(jī)理。

2.1 空洞性缺陷的閉合與修復(fù)

在鍛造的高溫變形過(guò)程中，通過(guò)砧寬比、變形量、變形速率等參數(shù)的合理搭配，可使空洞性缺陷閉合。文獻(xiàn)[5]認(rèn)為影響空洞閉合的主要因素為坯料的高徑比、空洞形狀和邊界摩擦條件，而變形溫度、速度和空洞尺寸對(duì)閉合影響甚微。實(shí)際生產(chǎn)中，鋼錠中空洞性缺陷是凝固過(guò)程中自然形成的，其形狀不規(guī)則。通過(guò)鍛造閉合缺陷時(shí)，其趨于向規(guī)則形狀發(fā)展，因此分析空洞性缺陷的鍛合過(guò)程可以先將缺陷設(shè)想為球形，缺陷首先被壓成橢球形，隨后橢球長(zhǎng)軸端部?jī)蓚?cè)的金屬開(kāi)始貼合，貼合區(qū)域由邊緣向心部擴(kuò)展，直到完全閉合，最后形成微小的裂縫AB，如圖2所示。閉合前的空洞附近存在著強(qiáng)烈的應(yīng)力集中，徑向應(yīng)力σr和周向應(yīng)力σθ在橢球端點(diǎn)的鄰近區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力，σx為壓應(yīng)力，如圖3所示。隨著變形的增大，拉應(yīng)力數(shù)值由小到大變化，并在空洞閉合時(shí)達(dá)到最大值，空洞閉合后拉應(yīng)力會(huì)保留下來(lái)[6]。

圖2 空洞性缺陷閉合過(guò)程示意圖Figure 2 Schematic diagram of cavity defect closure process

圖3 橢球上的應(yīng)力狀態(tài)Figure 3 Stress state on ellipsoid

空洞性缺陷閉合后形成微小裂縫，如果此時(shí)溫度足夠高，還有足夠的變形，這些微裂紋就有可能被焊合，形成一個(gè)致密的整體。如果此時(shí)溫度較低，雖然還有較大的變形，這些微觀裂紋在不可避免的拉應(yīng)力作用下就有可能擴(kuò)展。如果這些微裂紋保留在鍛件內(nèi)部，在后續(xù)的熱處理或服役過(guò)程中也有可能擴(kuò)展，甚至比球形缺陷的危害更大。

空洞附近的等效應(yīng)變和應(yīng)變分量主要受壓力和空洞形狀影響，而與溫度和變形速度的關(guān)系不大，但坯料溫度對(duì)再結(jié)晶過(guò)程的影響是巨大的，再結(jié)晶是重新形核和晶粒長(zhǎng)大的過(guò)程，能夠消除材料內(nèi)部因變形而積蓄的應(yīng)力。工業(yè)中使用的絕大多數(shù)以鐵為基體的材料，當(dāng)初始變形溫度為1200℃以上時(shí)，變形結(jié)束后的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶在很短時(shí)間內(nèi)就會(huì)完成，等高溫變形結(jié)束后，隨即會(huì)發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶。再結(jié)晶過(guò)程可以使微觀組織發(fā)生重組，修復(fù)因大變形引起的空洞周?chē)牧系慕M織缺陷，但不能修復(fù)空洞閉合后形成的微裂紋，微裂紋的修復(fù)主要靠原子擴(kuò)散與躍遷。在高溫下原子擴(kuò)散強(qiáng)烈，已閉合的空洞缺陷形成的微裂紋表面彼此接觸在一起，兩界面以及鄰近的原子因擴(kuò)散而相互滲透，最后達(dá)到金屬鍵的結(jié)合，形成一個(gè)連續(xù)的整體，使空洞缺陷閉合時(shí)形成的拉應(yīng)力也隨之消失，從而實(shí)現(xiàn)空洞性缺陷的修復(fù)。由于原子擴(kuò)散需要足夠長(zhǎng)的時(shí)間，因此，鍛造過(guò)程使空洞閉合后，仍需一定的保溫時(shí)間，才能達(dá)到修復(fù)缺陷的目的[7]。

在實(shí)際生產(chǎn)中，已鍛造成形產(chǎn)品經(jīng)超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)存在細(xì)小裂紋，可以通過(guò)高溫?cái)U(kuò)散附加微量變形的鍛造工藝達(dá)到修復(fù)缺陷的目的。修復(fù)的關(guān)鍵工藝參數(shù)為：溫度必須高于再結(jié)晶溫度，足夠長(zhǎng)的保溫時(shí)間和缺陷部位的應(yīng)力狀態(tài)[8]。這在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中已得到多次應(yīng)用與驗(yàn)證。

2.2 夾雜性缺陷的改善與修復(fù)

鋼錠內(nèi)部的夾雜物破壞了金屬基體的連續(xù)性，這些分散于基體內(nèi)的夾雜物與基體的變形能力不同，鍛造過(guò)程中夾雜物與金屬基體變形不協(xié)調(diào)，必然對(duì)夾雜物與基體的結(jié)合產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致在夾雜物周?chē)a(chǎn)生應(yīng)力集中[9]。由于夾雜物的分隔和阻礙，其周?chē)慕饘贌o(wú)法接觸，因而夾雜性的冶金缺陷是無(wú)法通過(guò)鍛造加以修復(fù)的。大變形和多次反復(fù)變形有可能使一個(gè)夾雜物斷裂成多個(gè)更小的夾雜物，使其彌散分布，但應(yīng)力集中又可能使夾雜物邊緣萌生新的裂紋。沒(méi)有夾雜物阻隔的新裂紋在鍛造應(yīng)力作用下閉合后，通過(guò)再結(jié)晶和原子躍遷方法得以修復(fù)。夾雜物周?chē)壬铝鸭y的修復(fù)機(jī)制，與空洞性裂紋是相同的，而夾雜物本身導(dǎo)致裂紋的改善機(jī)制是完全不同的。在軸類(lèi)件的實(shí)際生產(chǎn)中，一般主變形火次都有較大的拔長(zhǎng)比，變形較大，使材料中微米級(jí)的夾雜物斷裂成多個(gè)更小的夾雜物，且大多數(shù)都有后續(xù)成形火次，使夾雜物的彌散化和萌生新裂紋的修復(fù)可能性較大，所以超聲檢測(cè)的合格率較高，而對(duì)于毫米級(jí)的大尺寸夾雜物，通過(guò)正常的鍛造過(guò)程很難打碎彌散，往往會(huì)使其沿鍛造的主變形方向成斷續(xù)狀線性分布，超聲檢測(cè)結(jié)果為連續(xù)性缺陷，表2為缺陷產(chǎn)品經(jīng)鍛造返修后的缺陷變化情況。

表2 缺陷產(chǎn)品經(jīng)鍛造返修后的缺陷變化情況Table 2 Defect changes of defective products after forging for repairing

大量實(shí)踐證明，鍛件成品中檢測(cè)出的大尺寸夾雜缺陷經(jīng)再次鍛造后很難被改變，單個(gè)類(lèi)缺陷經(jīng)再次鍛造后有時(shí)會(huì)變成沿鍛造方向帶長(zhǎng)度的連續(xù)缺陷。對(duì)于餅類(lèi)件的生產(chǎn)，鐓粗變形不可避免，且沿高度方向的變形極大，使夾雜物被壓成片狀，數(shù)個(gè)鄰近的夾雜物可能堆積成一個(gè)較大的夾雜物，同時(shí)由于形狀簡(jiǎn)單，一般沒(méi)有后續(xù)火次來(lái)修復(fù)萌生的新裂紋，這也是餅類(lèi)件超聲檢測(cè)廢品率比軸類(lèi)件高的原因之一。

3 結(jié)論

(1)高溫?cái)U(kuò)散可有效減輕或消除枝晶偏析，能改善材料的熱加工性能。

(2)鍛造壓力作用下的變形只能使大鋼錠的空洞性缺陷閉合，不能完全消除，空洞性缺陷在變形作用下閉合時(shí)會(huì)形成微裂紋，微裂紋的修復(fù)有賴(lài)于高溫?cái)U(kuò)散。高溫?cái)U(kuò)散修復(fù)缺陷主要跟加熱溫度及缺陷部位的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，加熱溫度必須高于再結(jié)晶溫度并保持一定時(shí)間。

(3)鍛造變形時(shí)由于鋼錠中夾雜物分隔和阻礙的作用，其周?chē)慕饘贌o(wú)法接觸，因而裂紋就無(wú)法閉合。但大變形可以使一個(gè)夾雜物斷裂成多個(gè)更小的夾雜物，使其彌散分布，而且應(yīng)力集中又可能使夾雜性裂紋擴(kuò)大而萌生新裂紋。高溫?cái)U(kuò)散可以修復(fù)因夾雜引起的新裂紋，但鋼錠中的夾雜性缺陷通過(guò)鍛造只能被改善，不可能被消除。