大型板类锻件心部缺陷数值模拟及改进研究

2014-12-16戚翠芬石永亮

锻压装备与制造技术 2014年5期

陈涛，戚翠芬，石永亮

（河北工业职业技术学院，河北石家庄 050091）

1 引言

大型自由锻造设备是衡量一个国家工业发展水平的标志，其生产的大型锻件在国民经济、国防装备和现代尖端科技重大装备中发挥着非常重要的作用[1]。相应地，对大型锻件内部质量的要求也越来越高。

对大型板类锻件，有关文献定义其尺寸待征是：L/B≥1，B/H≥1.3，H≥300mm，其中 L、B、H 分别为锻件的长度、宽度、高度方向尺寸[2]。按照此定义，我们把模块、轴承座、扇形板等产品锻件归入大型板类锻件。对于这种大型板类锻件，采用8MN水压机进行锻造，之后经超声波探伤，发现对于高度大于200mm板类锻件，时有不合格品产生，锻件常见缺陷主要出现在锻件中心部位，其分布示意图如图1所示。

图1 大型板类锻件缺陷位置与范围示意图

2 板类锻件缺陷分析

经过对缺陷件的分析，此类锻件的缺陷主要有疏松、夹杂（严重时为夹杂性裂纹）和其他冶金缺陷、白点等。其中后两类缺陷出现的几率和数量较少，一般均因没有严格执行相关工艺规范、标准和工艺文件等造成。因此通过加强工艺完整性及增强各级人员责任心、执行力，可避免或减少这类缺陷产生。另据有关文献资料认为，还存在一种内部层状裂纹缺陷[3]。

2.1 疏松缺陷产生原因分析

疏松缺陷较多出现在模块、轴承座等宽厚板类锻件中。这些锻件尺寸L/B与B/H相对较小，高度H较大，其整体截面尺寸较大，如锻造工艺不合理，可能因变形量不足导致锻件不能锻透，即钢锭中的孔洞、疏松、粗大的树枝晶等常见缺陷不能消除，造成超声波探伤时超标。为此，要求必须对该类锻件进行毛坯探伤，发现缺陷后制订修复工艺。修复工艺主要是依据锻件外形尺寸及缺陷性质来对缺陷锻件进行改锻：将经过高温保温后的锻件进行镦粗，采用满砧、大压下量拔长，变形示意图如图2所示。

图2 宽厚板锻件缺陷修复变形示意图

近年来，已对多件Q345D、35CrMo材质的轴承座和5CrNiMo材质的模块按此工艺原则进行了成功修复，减少了废品损失，取得了较好的经济效益。

2.2 夹杂缺陷形成机制分析

夹杂缺陷超声波探伤超标的情况也时有发生，严重时为夹杂性裂纹。有关文献[4-5]认为夹杂缺陷的形成机制为：塑性夹杂物在塑性变形过程中被压扁，周围产生应力、应变集中区，夹杂越扁应力集中越大，越易使夹杂间基体断裂，形成夹杂性裂纹，导致探伤超标。板类锻件锻造过程中，在高度H方向的压下量很大，夹杂物被压扁的可能性较大，即成为片状夹杂物；片状夹杂物周围存在着较大的应力集中区，是形成锻件内部裂纹的潜在裂纹源。锻件的外表层由钢锭质量较好的外层锻成，夹杂物数量少，此外，刚性区的存在及受高度H方向的单向力远小于心部，夹杂物成为层片状的可能性很小，所以外表一般不会出现夹杂性缺陷超标的情况。同时，随锻造过程的进行，板类锻件端部温度下降较快，继续锻造时，等同于对端部进行了JTS锻造法，即中心压实法的锻造，有利于心部缺陷的锻合和改善心部夹杂物的形貌，因而，端部一般也不会出现此类缺陷。

此外，由于板类锻件的这种尺寸关系，在锻造过程中容易形成附加拉应力。有文献[6]从应力应变分析了裂纹产生的原因，认为当锻造工艺执行到沿板的宽度B方向压下时，一般情况下不可能（很难）满足不形成轴向拉应力的砧宽比W/H（W/H应控制在＞0.8～0.9），以及不形成横向拉应力的料宽比B/H（B/H应控制在0.85～1.18）的要求，在变形体内就会有双向拉应力存在，易在晶界或晶界薄弱处形成新的裂纹源。

3 板类锻件夹杂缺陷修复工艺研究

板类锻件心部存在夹杂超标缺陷，其一与钢锭的心部冶金质量较差有关，其二与其自身的外观尺寸特点和锻造工艺本身特点等客观因素也有一定关系。

钢锭凝固过程完成后，其中夹杂含量不会改变，通过变形只能改善夹杂形状及其分布，使其探伤不超标，满足使用性能要求。在塑性变形过程中，孔隙性缺陷焊合后，基体机械性能均匀，一般不会产生二次开裂[7]。

3.1 扇形板锻件修复工艺对比研究

中冶陕压重工设备公司曾生产过4件材质为X22CrMoV121的扇形板，锻件高度200mm、宽度550mm，重量1330kg，选用2t锭型。锻造完成后，在毛坯探伤时发现心部有超标缺陷，其位置与范围如图1所示。从超声波波形分析认为缺陷是由夹杂性超标引起，同时可能存有夹杂性裂纹，因此修复工艺以改善夹杂形貌及焊合裂纹为目的。

上述4件扇形板已锻成毛坯，余量较小，修复时变形量不大，所以考虑不再采用平砧而采用型砧。生产前先应用Deform-3D软件进行模拟来预测工艺的可行性，模拟结果如图3所示。

图3 Deform-3D对圆弧型砧与平砧锻造应力数值模拟

经分析发现，在压下量、变形温度及变形速度等参数相同的情况下，圆弧型砧在锻件心部形成的平均压应力远大于平砧（图3c、d），所以认为使用型砧修复缺陷的可能性较大。具体工艺方案为：锻件高温保持3h；采用上平砧、下圆弧型砧进行修复锻造，以形成有利于裂纹“愈合”的较大的三向压应力；锻后退火。出炉后超声波复检合格。

3.2 板类锻件平砧拔长模拟研究

对于内部层状裂纹缺陷，相关文献[8]论述较为详细：当锻造工具在与锻件相接触的表面上两方向的尺寸都大大超过坯料高度时，致使坯料内上下两个刚性区相遇而产生刚性区内部的层状刚性滑动变形并导致撕裂。对此，利用Deform-3D软件对平砧拔长板类锻件进行了数值模拟，刚性区随压下量的变化结果如图4所示。

图4 刚性区随压下量的变化

分析发现，两刚性区直至变形量达70%时仍未相遇，刚性区的形状和大小随变形量的变化一直在变化；在整体发生塑性变形后，变形量达到35%时，上下两刚性区最大。在压下量增加的过程中，锻件心部的剪切应变值增大，剪切应变区域也增加，这与有关文献[6]论述相接近。所以对于板类锻件，应该是其心部形成的激烈的剪切应力造成具有密集夹杂的锻件产生分层，而不是刚性区相遇，在刚性区内部产生层状刚性滑动变形而导致撕裂。所以还是应该安排合理的加热工艺，使锻件内部裂纹处的孔洞被充分填充，内部未完全被夹杂物分隔的内裂纹缺陷在一定温度下进行修复，然后按压实所需的变形量进行终锻变形及整形，压实内部仍存在的显微孔洞并满足锻件要求。