316LN 復(fù)雜U 形鍛件漸進(jìn)成形及晶粒度控制技術(shù)研究

文／趙曉光·貴州航天新力科技有限公司

本文通過試驗(yàn)研究了溫度、變形量對(duì)316LN 合金晶粒尺寸的變化影響規(guī)律；設(shè)計(jì)了一種漸進(jìn)成形的模具，研究了U 形鍛件彎曲成形過程變化特點(diǎn)，解決了成形和脫模等難題；采用模擬仿真分析手段，研究了溫度、變形量、彎曲成形多因素耦合條件下的晶粒尺寸變化規(guī)律，制訂了U 形鍛件一體化成形的工藝參數(shù)，得到了形狀和性能滿足要求的復(fù)雜U 形鍛件。

極向場(chǎng)線圈U 形支撐是ITER 極向場(chǎng)線圈支撐系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件，要承受強(qiáng)電磁場(chǎng)力、放電瞬時(shí)脈沖和地震載荷等強(qiáng)載荷，需要有良好的強(qiáng)度，同時(shí)需要良好的低溫性能和韌性，以保證能夠承受由于超導(dǎo)線圈冷卻和放電破裂等造成的超導(dǎo)線圈環(huán)向和徑向的收縮。

極向場(chǎng)線圈U 形支撐鍛件(圖1)的顯著特點(diǎn)是尺寸大和材料特殊。316LN 材料變形抗力大，鍛造溫度范圍窄；316LN 單相奧氏體無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，晶粒度無法通過后續(xù)熱處理進(jìn)行細(xì)化；復(fù)雜變截面隨形鍛造技術(shù)操作復(fù)雜，鍛造工序多。鍛件尺寸越大，形狀越復(fù)雜，操作難度就越大，多種不利條件的疊加耦合，使得特種316LN 材料鍛件異形變截面一體化成形改性技術(shù)難度呈指數(shù)級(jí)增加。

圖1 316LN 復(fù)雜U 形鍛件示意圖

對(duì)于大尺寸的U 形鍛件，彎曲成形過程中存在比較多的問題。板料在彎曲過程中底部首先會(huì)被折彎，形成弧形底部(圖2)，造成模具和坯料分離，容易出現(xiàn)中心偏移；U 形鍛件在完成彎曲變形后，在最終成形階段，由于底部為弧形，需要上模施加壓力才能使整個(gè)底部變平整(圖3)，隨著溫度的降低，316LN材料的變形抗力非常大，對(duì)模具會(huì)造成較大的損傷，降低模具壽命；由于下模是一個(gè)封閉模具，且深度較深，鍛件成形后出模難度比較大，使鍛件長時(shí)間處于高溫下無法得到有效的冷卻，造成晶粒度的粗大，導(dǎo)致產(chǎn)品最終組織粗大，降低綜合性能。

圖2 底部弧形(坯料和模具分離)圖

圖3 最終成形時(shí)底部弧形圖

因此，本文研究的重點(diǎn)：一是多因素耦合下的晶粒度控制技術(shù)；二是模具設(shè)計(jì)及變形溫度和變形量的優(yōu)化，保證鍛件最終的組織均勻和晶粒度細(xì)小。

晶粒度調(diào)控技術(shù)研究

在工程實(shí)際中，溫度和變形量經(jīng)常相互耦合對(duì)晶粒度的變化產(chǎn)生影響，針對(duì)不同的復(fù)雜異形鍛件，成形時(shí)需要不同的鍛造火次。本試驗(yàn)的主要目的是研究鍛件在多火次、小變形量或無變形量條件下，加熱溫度和變形量對(duì)晶粒度的影響。掌握鍛件在加熱和變形過程中的變化規(guī)律，從而為制定合理的鍛造工藝參數(shù)提供支撐。

本文選取初始晶粒度為4級(jí)，規(guī)格為φ100mm×200mm 的316LN-C3 鍛棒為研究對(duì)象，主要進(jìn)行如下試驗(yàn)，以確定316LN不銹鋼鍛造工藝對(duì)晶粒度的影響。

⑴加熱溫度對(duì)316LN 晶粒度的影響。綜合考慮工程化的實(shí)際情況和設(shè)備情況，加熱溫度選擇1050℃、1100℃、1150℃、1180℃，保溫80min，然后入水冷卻，截取試樣觀察晶粒度的變化情況。

⑵一火次加熱溫度和變形量對(duì)316LN晶粒度的影響。選取1050℃、1100℃、1150℃、1180℃四個(gè)溫度，將試樣加熱，到溫保溫80min 后，分別進(jìn)行10%、15%、20%、30%的變形量鍛造，變形結(jié)束后進(jìn)行水冷。

加熱溫度對(duì)316LN 晶粒度的影響

在D/4 位置截取試樣進(jìn)行晶粒度觀察。從試驗(yàn)結(jié)果來看，1050℃時(shí)，晶粒度與初始晶粒度相差不大，并沒有明顯晶粒長大；1100℃時(shí)，晶粒度變?yōu)? 級(jí)，1150℃時(shí)，晶粒度僅有1 ～2 級(jí)。由此可以看出，在低于1050℃時(shí)加熱，晶粒度變化不大，鍛件超過1050℃時(shí)開始有晶粒長大，超過1150℃長大速度變快。

一火次加熱溫度和變形量對(duì)316LN晶粒度的影響

經(jīng)過10%～30%的鍛造變形后，分別從D/4位置截取試樣進(jìn)行晶粒度觀察。從試驗(yàn)結(jié)果來看，溫度越低，變形量越大，晶粒度越細(xì)。10%變形量時(shí)，在1050℃時(shí)，晶粒度基本沒有變化，其他幾種溫度條件下均存在不同程度的晶粒度粗化；在15%變形量時(shí)，晶粒度較10%變形量均有了不同程度的細(xì)化，1050℃和1100℃的晶粒度均已達(dá)到初始晶粒度的狀態(tài)，1150℃和1180℃晶粒度仍然比較粗；在20%和30%變形量時(shí)，晶粒度細(xì)化效果均比較明顯。

分析討論

從試驗(yàn)結(jié)果看，加熱溫度超過1050℃時(shí)，晶粒開始長大，超過1150℃時(shí)長大非常明顯，因此，再加熱溫度不宜超過1150 ℃，根據(jù)變形量選擇1050 ～1100℃比較合適。變形量在15%時(shí)，晶粒得到比較明顯的細(xì)化。初始晶粒度控制在3 ～4 級(jí)，再加熱溫度控制在900 ～1050℃時(shí)，多火次小變形量(＜10%)或無變形量時(shí)，晶粒度不受加熱總時(shí)間的影響，仍然能比較有效地控制在2 ～3 級(jí)。

U 形鍛件漸進(jìn)彎曲成形技術(shù)研究

模具設(shè)計(jì)及彎曲成形模擬分析

本文提出采用帶有壓邊裝置的漸進(jìn)精密成形模具(圖4)，在模具上設(shè)置壓縮彈簧，彈簧的壓縮力使板料在變形過程中不發(fā)生底部彎曲現(xiàn)象；316LN 材料變形抗力大，采用漸進(jìn)多次彎曲的模具，使彎曲成形過程由一次整體彎曲變成多次漸進(jìn)彎曲，降低了對(duì)壓機(jī)的壓力要求，同時(shí)使模具承受的力被分散，提高模具的使用壽命；如圖5 所示，考慮到316LN 晶粒的長大規(guī)律，漸進(jìn)成形的方式降低了變形所需的壓力，可以將坯料加熱溫度控制在950 ～1050℃，保證在整個(gè)彎曲成形過程中，晶粒長大速度變慢且可控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精確彎曲成形，得到晶粒組織均勻且尺寸精確的鍛件；最終成形后，壓縮彈簧伸長，在彈性力的作用下使上模向上運(yùn)動(dòng)，反作用力使鍛件向下運(yùn)動(dòng)，上模與鍛件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分離，同時(shí)帶動(dòng)鍛件和下模實(shí)現(xiàn)分離，能夠比較輕松的完成脫模。

圖4 漸進(jìn)彎曲成形模具

圖5 漸進(jìn)彎曲成形模擬

彎曲成形過程晶粒尺寸變化模擬

設(shè)計(jì)選取1000℃、1050 ℃、1100℃三種溫度條件，坯料初始晶粒尺寸設(shè)置為100μm，借助于模擬仿真的方法，研究U 形鍛件成形過程中晶粒尺寸和組織變化情況(圖6、圖7、圖8)。

圖6 1000℃時(shí)U 形鍛件彎曲晶粒變化情況

圖7 1050℃時(shí)U 形鍛件彎曲晶粒變化情況

圖8 1100℃時(shí)U 形鍛件彎曲晶粒變化情況

通過模擬仿真研究發(fā)現(xiàn)，在1000℃條件下，完成彎曲成形后最終鍛件的最大晶粒尺寸變化為107μm，晶粒尺寸長大率為7%，發(fā)生彎曲變形部位晶粒尺寸得到細(xì)化；在1050℃條件下，完成彎曲成形后最終鍛件的晶粒尺寸變化為121μm，晶粒尺寸長大率為21%，發(fā)生彎曲變形部位晶粒尺寸得到細(xì)化；在1100℃條件下，完成彎曲成形后最終鍛件的晶粒尺寸變化為148μm，晶粒尺寸長大率為48%，發(fā)生彎曲變形部位晶粒尺寸得到細(xì)化。

結(jié)論

通過研究，采用漸進(jìn)彎曲成形，鍛件的形狀和組織性能均滿足技術(shù)要求。主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：

⑴漸進(jìn)彎曲成形過程抗力降低，成形尺寸良好，鍛件易脫模；

⑵成形溫度選取在900 ～1050℃，在無變形量的情況下，晶粒尺寸長大率小于30%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。