钢锭开坯过程空洞缺陷闭合过程的数值模拟研究

郭 伦 郭 猛 范成桢

(重庆长征重工有限责任公司，重庆400083)

大型锻件的技术要求严格，综合力学性能很高，并且要求有良好的内部组织，能否生产出高质量的大锻件成为了衡量一个国家工业水平和国防实力的标志之一[1-2]。而由于用于大型锻件的钢锭尺寸较大，在铸造过程中，不同位置的材料温度不均匀，在冷却较慢的铸锭心部区域因材料凝固收缩而产生缩孔、缩松等空洞缺陷[3]。这些空洞缺陷会破坏金属基体的连续性，造成应力集中和裂纹产生，严重影响大型锻件的质量[4]。因此，大型锻件的锻造过程，不仅仅是锻件的成形过程，更重要的是修复缺陷、改善组织的过程[5]。故为了研究开坯过程空洞闭合情况，本文采用DEFORM-3D数值模拟软件，对单重23 t 34CrNiMoA钢锭镦粗过程进行数值模拟，研究空洞在镦粗过程中的变化规律，获得空洞闭合表征参数Q值，然后用Q值判断拔长过程空洞是否闭合，研究结果对34CrNiMoA钢锭开坯锻造具有一定的指导意义。

1 镦粗过程空洞演变规律

为了研究钢锭开坯过程空洞的演变过程，对镦粗过程进行有限元模拟。模拟所用材料为34CrNiMoA材料，钢锭重量23 t，模型尺寸为∅1200 mm×2200 mm，钳把尺寸∅650 mm×800 mm，如图1所示。为了研究空洞位置对闭合情况的影响，沿模型轴线方向设置7个空洞，空洞直径约为D/30(D为钢锭直径)，孔洞位置用P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7表示，且空洞沿轴线均布，如图2所示。

图1 镦粗模型Figure 1 Upsetting model图2 孔洞位置图Figure 2 Hole location

模拟所用软件为DEFORM-3D，镦粗模型有限元网格划分为200 000，中心细化1/10 000。上、下砧模型如图3所示，划分网格数为100 000。模拟参数分别为：工件温度1250℃，上下砧温度为300℃，压下速度20 mm/s，对模具的热交换系数为2 N/(s·mm·℃)，对空气的热交换系数为0.02 N/(s·mm·℃)，摩擦系数为0.3。

另外，为了研究空洞闭合情况，现引入参数k来表征空洞的闭合度，如式(1)所示[6]。

(1)

式中，d为空洞直径，hz为空洞在Z轴上的投影长度。当k=1时，表示空洞闭合，此时，hz=0；当k=0时，表示空洞没有变形，此时，hz=d。

图3 上、下砧模型Figure 3 Upper and lower anvil models

图4 空洞闭合情况模拟结果Figure 4 Simulation results of cavity closure

空洞闭合情况的模拟结果如图4所示。通过测量获得不同压下量下各个空洞对应的Z方向投影长度。基于测量数据和式(1)，得到每个空洞的闭合度与压下量的关系如图5所示。由图5可知，随着压下量的增大，空洞开始变形，然后闭合；当压下量为50%时，除难变形区的P1和P7位置外，其他区域的空洞全部闭合。空洞闭合的先后顺序为P3、P4、P5、P2、P6。

图5 闭合度与压下率的关系Figure 5 The relation between closure and reduction rate

2 空洞闭合判断条件

在变形材料内部的任意位置及变形过程的任意时刻，材料内部孔洞的闭合情况可以用闭合参数Q来表示。其值可由孔洞周围的应力、应变求得。参数Q与应力、应变之间的关系见式(2)[7]。

(2)

式中，εe为等效应变，σm为静水应力，σe为等效应力。

将式(2)二次开发到DEFORM软件中，借助有限元数值模拟获得Q值，利用Q值判断变形过程空洞的闭合情况。

为了获得各个空洞变形过程对应的Q值，在DEFORM-3D后处理中输出P2、P3、P4、P5、P6位置处空洞闭合(对应图4所确定的压下量)时的Q值以及压下量为50%时P1、P7位置处的Q值，如图6所示。

图6 不同位置空洞闭合时的Q值Figure 6 Q values of cavities closed at different positions

由图6可知，P2～P6空洞(闭合时的压下率分别为34%(P3)、35%(P4)、40%(P5)、41%(P2)、46%(P6))闭合时的Q值大约是0.3。另外，当压下率为50%时，由图4可知，P1、P7空洞还没有闭合，而由图6可知，P1、P7位置处Q值很小，大约在0.025～0.125之间，远小于0.3。

3 空洞尺寸对Q值影响

为了研究空洞尺寸对Q值的影响规律，现取空洞直径d分别为钢锭直径D的1/10、1/20、1/30、1/40进行研究，空洞位于钢锭直径的中心，模拟参数与前面相同，采用平砧进行镦粗。不同尺寸空洞的模拟结果如图7所示。

图7 不同尺寸空洞的模拟结果Figure 7 Simulation results of cavities of different sizes

为了研究空洞尺寸对Q值的影响，跟踪不同尺寸空洞闭合时的Q值，如图8所示。由图8可以看出，当空洞尺寸分别为D/、D/30、D/40时，空洞闭合时的Q值都大约等于0.3；当空洞尺寸大于D/20时，空洞闭合时的Q值增大；当空洞尺寸为D/10时，空洞闭合时的Q值达到了0.61。根据实际情况，空洞尺寸一般会小于钢锭直径的1/20，故空洞尺寸对Q值基本没有影响，Q值基本上是一个常数，即Q=0.3。结合前面镦粗过程的模拟情况可知，将Q=0.3作为空洞闭合的判断条件。

图8 不同尺寸空洞闭合时的Q值Figure 8 Q values of cavities of different sizes when closed

4 基于Q值的拔长工艺评价

基于实际锻造工艺，建立坯料尺寸为∅1700 mm×1080 mm，钳把尺寸为∅650 mm×800 mm的有限元模型，坯料示意图见图9，划分网格为200 000。由镦粗变形过程可知，难变形区的空洞在镦粗阶段闭合不了，故拔长工艺主要研究镦粗的难变形区的空洞在拔长过程的闭合情况。现在采用Q值来评价难变形区空洞闭合情况。进行5道次拔长，拔长的工艺参数和变形条件与镦粗一致。拔长所采用的平砧如图10。5道次拔长的模拟结果如图11所示，5道次后变形区中心区域的等效应力和静水应力如图12所示。为了判断镦粗后难变形区未闭合的空洞在拔长过程中能否闭合，跟踪镦粗后难变形区未闭合空洞处的Q值，得到每道次后的Q值如图13所示。

图9 拔长坯料示意图Figure 9 Schematic diagram of drawing blanks

图10 拔长平砧示意图Figure 10 Schematic diagram of flat anvil for drawing

图11 5道次拔长模拟结果Figure 11 Simulation results of drawing with 5 passes

由图12(a)可知，在5道次压完后，拔长变形区中心区域等效应力较大，有利于通过锻造来消除锻件心部的缺陷。由图12(b)发现，中心区域的静水压力为负，说明该区域受压，有利于消除心部缺陷。从图13可以看出镦粗后难变形区未闭合空洞处每道次锻造后Q值是累增的，第一道次锻造后其值为0.02，第二道次、三道次、四道次、五道次分别为0.055、0.153、0.229、0.411。由空洞闭合的判断条件Q=0.3可知，经过5道次拔长，镦粗难变形区未闭合的空洞完全闭合了。

5 结论

本文采用有限元模拟技术结合实际锻造工艺，研究了34CrNiMoA材料钢锭开坯过程空洞演变规律，得到以下结论：

(1)通过数值模拟空洞演变过程，镦粗过程沿轴线的空洞当压下量为50%时，除难变形区外，其他部位的空洞都可以完全闭合。

(2)当空洞直径不大于钢锭直径的1/20时，空洞尺寸对空洞闭合表征参数Q的临界值基本没有影响，其值为0.3。

(3)经过5道次拔长，镦粗难变形区未闭合的空洞完全可以闭合。