鋼錠內部孔洞缺陷愈合規律研究及創新工藝開發（上）

文／孫明月，徐斌，李殿中·中國科學院金屬研究所

鋼錠內部孔洞缺陷愈合規律研究及創新工藝開發（上）

文／孫明月，徐斌，李殿中·中國科學院金屬研究所

隨著我國經濟快速穩定的發展，能源電力、冶金機械等行業需要越來越多高質量大型鍛件。大型鍛件的基礎是大型鋼錠，然而由于金屬的凝固收縮，大型鋼錠內部不可避免地產生縮孔、疏松、氣孔等孔洞型缺陷，必須通過有效的鍛造工藝將這些缺陷去除，以獲得優質的大型鍛件。圖1是100t鋼錠解剖結果，通過解剖結果可以發現，在鋼錠中心存在非常嚴重的縮孔疏松缺陷。在鍛造過程中如果不能使其完全愈合將導致嚴重后果。

孔洞型缺陷的愈合過程包含2個階段：孔洞閉合和閉合界面的焊合。在鍛造過程中，鋼錠心部的孔洞型缺陷必須首先閉合，才能進一步焊合。因此研究孔洞在何種條件下可以完全閉合對于消除孔洞型缺陷有非常重要的意義。

鍛造過程包含鐓粗和拔長過程，通常采用多次鐓粗拔長工藝以提高鍛件心部質量。人們提出WHF、FM 和 JTS等鍛造方法以提高鍛件心部應變。針對這些鍛造方法應該采用的砧寬比、砧形、錯砧方法以及壓下量等進行了系統的研究以優化自由鍛工藝，有效愈合軸線疏松。

圖1 100t核電轉子用鋼錠內部缺陷的實際解剖照片

表1 6Cr2MnMoV化學成分

孔洞閉合過程的有限元模型與模擬方案

采用支承輥用材料6Cr2MnMoV，其化學成分如表1所示，測量了該鋼種的熱物性參數和高溫應力應變曲線，并將材料參數應用在模擬過程中。

本研究采用DEFORM-2D軟件對含孔洞試樣的鐓粗過程進行模擬。試樣尺寸為φ300mm×400mm，試樣高徑比約為1.33(在試樣高徑比對孔洞閉合影響的研究中，試樣高度按需要取值)。缺陷位于試樣中心部位，按照需要設計不同尺寸、不同外形的球形或橢球形孔洞。為了更準確地模擬孔洞的變形情況和孔洞周圍的應力、應變變化情況，對孔洞周圍區域進行局部細化，整個模型包含約2萬個單元。

在模擬過程中考慮了試樣與模具之間的傳熱。試樣初始溫度為1200℃，模具初始溫度為20℃，試樣與模具之間的熱交換系數為11000W/(m2·K)。上模具以10mm/s的恒定速率下壓，試樣的應變速率約為0.025s-1。為了系統地研究各種因素對孔洞閉合的影響，將可能影響孔洞閉合的因素分為外在因素和內在因素。外在因素是指與孔洞本身無關的因素，包括變形溫度、應變速率、摩擦系數、試樣高徑比和試樣尺寸。內在因素是指與孔洞本身相關的因素，包括孔洞位置、孔洞尺寸和孔洞形狀。其中孔洞尺寸和試樣尺寸對洞孔閉合的影響是近似等效的，在其他因素相同的條件下，當孔洞占試樣的體積分數一定時，孔洞的閉合過程也基本一致，因此在本工作中不研究試樣尺寸對孔洞閉合的影響，而僅研究孔洞尺寸的影響。在研究某一因素對孔洞閉合的影響時，僅改變這一因素，其他因素均保持不變。

外在因素對孔洞閉合的影響

相關文獻研究了變形溫度和應變速率對孔洞閉合的影響，結果表明，變形溫度和應變速率對孔洞的閉合過程有一定影響，但對臨界閉合壓下率基本沒有影響。其中臨界閉合壓下率是指孔洞完全閉合時所需的壓下率。臨界閉合壓下率越大，孔洞越難閉合。因此，本工作主要對摩擦系數和試樣高徑比這兩個因素進行研究。

圖2 摩擦系數對臨界閉合壓下率的影響

在試樣尺寸為φ300mm×400mm、孔洞直徑為10mm的條件下，通過改變摩擦系數，模擬得到在不同的摩擦系數下孔洞臨界閉合壓下率，如圖2所示。可見，摩擦系數對孔洞的閉合幾乎沒有影響。在以往的研究中，由于忽略了模具與試樣之間的傳熱，普遍認為摩擦系數越大，孔洞的臨界閉合壓下率越小，孔洞越容易閉合。這是由于隨著摩擦系數的增大，試樣中心的鼓肚越明顯，應變集中于試樣中心區域，使孔洞更加容易閉合。本研究在考慮了傳熱的情況下，試樣與模具接觸面附近傳熱較快，在壓下率為25%時，試樣上下表面與模具接觸的位置溫度會降低到550℃左右，形成了溫度很低的表面急冷區，表面急冷區的存在使試樣表面不易變形，相當于表面結成了一個硬殼。由于試樣與模具之間的摩擦力是作用于試樣表面的，硬殼的存在將摩擦力的影響與試樣內部隔絕開，使試樣內部的應變分布不隨摩擦系數的變化而改變，從而消除了摩擦系數對孔洞臨界閉合壓下率的影響。在真實的鋼錠鍛造過程中，鋼錠與模具之間的傳熱是始終存在的，因此，可以認為摩擦系數對鍛造過程中孔洞的臨界閉合壓下率基本沒有影響。這對于鋼錠的鐓粗和拔長過程是適用的，但對于復雜曲面零件的模鍛，摩擦系數的影響則必須予以考慮。

圖3 試樣高徑比對臨界閉合壓下率的影響

以直徑為300mm，孔洞直徑為10mm的試樣為基礎，通過改變試樣高度來改變試樣的高徑比。模擬得到的孔洞臨界閉合壓下率，如圖3所示。可見，試樣高徑比越大，孔洞越難閉合。在鐓粗過程中，如圖4所示，應變會集中于試樣的中心區域形成應變集中區，而在試樣與模具接觸面附近會形成變形死區。隨著試樣高徑比的增大，變形死區的體積基本不變，而應變集中區域的體積變大，這就使應變分散于更大的體積內，難以集中于試樣的中心。在相同的壓下率下，試樣高徑比越大，中心區域的應變越小，位于試樣中心的孔洞越難閉合。在實際的鐓粗過程中，一般試樣的高徑比應小于2，否則容易在鐓粗過程中產生雙鼓形，在試樣中心區域會產生拉應力，有可能導致裂紋。

內在因素對孔洞閉合的影響

如圖4所示，在鍛造過程中試樣內部的應變分布是不均勻的，試樣中心部分的應變最大，距離中心越遠應變越小，這直接影響了不同位置處的孔洞閉合情況。由于應變集中，位于中心區域的孔洞最容易閉合，距離中心越遠的孔洞越難閉合，孔洞的位置對其閉合的難易程度有很大的影響。對于圖1所示鋼錠中心的縮孔、疏松缺陷，由于缺陷位于鋼錠的軸線上，在鍛造過程中處于應變集中區域，這有利于鋼錠中心的縮孔、疏松缺陷在鍛造過程中的愈合。在鋼錠中也可能存在氣孔等其他的孔洞型缺陷，這些缺陷可能距離鋼錠中心較遠，這就需要較大的壓下量才能使這些孔洞型缺陷閉合。

圖4 在25%壓下率下試樣高徑比為4/3和2時的應變場分布

圖5 孔洞尺寸對臨界閉合壓下率的影響

以尺寸為φ300mm×400mm的試樣為基礎，改變試樣中心孔洞的直徑，通過模擬得到孔洞的臨界閉合壓下率，如圖5所示。可見，在孔洞體積占試樣體積較小的情況下，孔洞的尺寸對于孔洞的閉合沒有影響。對于不同尺寸的孔洞，其閉合過程和周圍應變分布幾乎完全相同。這是由于在孔洞體積遠小于試樣體積的前提下，不論孔洞大小如何變化，幾乎不會影響到孔洞周圍的應變場，因此對孔洞閉合過程也不會產生影響。本研究中最大孔洞直徑已達50mm，鋼錠的實際解剖結果表明缺陷均小于該尺寸，因此可認為鋼錠中球形孔洞的尺寸對孔洞臨界閉合壓下率沒有影響。

圖6 孔洞形狀對臨界閉合壓下率的影響

對于尺寸為φ300mm×400mm的試樣，通過在其中心部位設計不同形狀的孔洞來考察這種改變對其臨界閉合壓下率的影響。圖6中的橢球形顯示了孔洞的外形(均為軸對稱模型)，改變孔洞的形狀，分別設計了餅狀、球形、橢球形的孔洞。為了描述孔洞形狀的差異，提出了孔洞高徑比的概念。將沿壓下方向孔洞的軸長定義為高h(不一定為長軸長度)，將垂直于壓下方向的軸長定義為徑d，h/d即為孔洞的高徑比。不同外形的孔洞中高徑比最大的橢球形孔洞其高徑比為7，高徑比為1時孔洞為球形，而高徑比為0.5時孔洞為餅狀。對于不同高徑比的孔洞，通過模擬得到的孔洞臨界閉合壓下率如圖6所示，可見其對孔洞的閉合有很大的影響:沿變形方向孔洞的高徑比越大，孔洞閉合所需的壓下率越大，孔洞越難閉合。這是由于對高徑比較大橢球形孔洞來說，其變形過程會經歷由橢球形變為球形、進一步變成餅狀、最終完全閉合。橢球形孔洞的閉合過程包含了球形和餅狀孔洞的閉合過程，因此其閉合最困難、需要的臨界閉合壓下率最大。可以采用沿變形方向孔洞高徑比來作為孔洞閉合難易程度的判據，在模擬條件下，孔洞高徑比h/d與孔洞的臨界閉合壓下率ΔHC/H符合以下關系:

通過對上述可能影響孔洞閉合的各種因素進行系統研究發現，變形溫度、應變速率、摩擦系數、試樣尺寸和孔洞尺寸對于鍛造過程中孔洞的臨界閉合壓下率基本沒有影響。試樣高徑比和孔洞位置是通過影響孔洞周圍的應變條件來影響孔洞的閉合，是間接的因素。孔洞所在位置的應變越大，孔洞越容易閉合。

在各個因素中，只有孔洞形狀是影響孔洞閉合的直接因素，也是最本質、最重要的因素。對于不同形狀的孔洞，其閉合難易程度有很大差異，將各種形狀孔洞歸一化為具有一定高徑比的形狀后，則沿變形方向孔洞的高徑比越大，孔洞越難以閉合。因此，在對鍛造過程孔洞型缺陷的壓實效果進行評估時，必須將孔洞形狀作為首要的因素考慮，對鋼錠中真實的孔洞形狀進行適當簡化后考慮其是否能在鍛造過程中閉合，而不應簡單采用球形孔洞的閉合作為實際縮孔、疏松閉合的判據，這種處理方法是以往絕大多數研究工作未曾考慮到的。

《鋼錠內部孔洞缺陷愈合規律研究及創新工藝開發（下）》

見《鍛造與沖壓》第17期