鋼錠內部孔洞缺陷愈合規律研究及創新工藝開發(下)

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(下)

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）》見2015年15期

寬砧徑向壓實法的提出與工業驗證

在實際鋼錠中，由于金屬的凝固順序是從表面到中心，因此，中心縮孔、疏松缺陷通常呈長條狀（管狀）沿軸線分布。中心縮孔、疏松的外形條件決定了在鐓粗過程中，由于其高徑比很大，因此非常難以使其閉合。對于h/d=7的孔洞來說，在鐓粗過程中即使以50%的壓下率壓下仍然難以使其完全閉合。而實際鋼錠中心縮孔與疏松的高徑比可能遠大于7，因此在鍛造過程中，鐓粗對于中心縮孔、疏松的閉合作用是非常有限的，主要依靠拔長過程來愈合鋼錠的中心疏松。

為了解決傳統工藝產生的問題，加大鋼錠心部應變以壓實孔洞型缺陷，提出了寬砧徑向壓實法（WRF法）。此工藝使用上下平板，沿鋼錠直徑方向進行下壓。這種工藝可以使應變集中于鋼錠心部區域，彌補了傳統拔長方法的缺點。由于鋼錠的中心疏松沿軸線分布，與傳統的鐓粗過程相比，寬砧徑向壓實的過程中由于壓下方向的改變，孔洞的高徑比遠小于鐓粗過程，此方法可以滿足孔洞高徑比的最佳條件，彌補了傳統鐓粗工藝的不足。寬砧徑向壓實工藝所需的壓下量小于鐓粗工藝，經模擬證實，其所需壓機壓力小于鐓粗過程，因此使用已有壓機就可以實現，不需要投入大量的技術改造，工藝簡便易行。

與鋼錠相比，直徑為φ600mm的連鑄圓坯由于沒有冒口對其軸線縮孔疏松進行補縮，其中心區域通常存在嚴重的貫穿性縮孔、疏松缺陷，采用普通鍛造工藝難以使其有效愈合。而且由于連鑄坯無法進行鐓粗，而只能對其拔長，拔長過程中鍛比很小，坯料中心應變不大，無法有效愈合坯料中心的孔洞型缺陷。因此通常只使用連鑄坯鍛造筒類、管類件。大斷面連鑄圓坯的中心貫穿性縮孔疏松與大型鋼錠中心的縮孔疏松缺陷的形狀、分布非常相似，本研究中使用連鑄坯來驗證寬砧徑向壓實工藝的中心壓實效果。

本研究中使用的直徑為φ600mm連鑄圓坯在生產過程中出現了較大的質量問題，連鑄坯軸線上存在肉眼可見的縮孔、疏松缺陷（直徑達1mm），中心區域存在大面積點狀偏析，嚴重影響了產品的質量。使用WHF法鍛造的棒材按照GB/T 6402-1991的2級探傷標準進行檢驗，合格率不到20%。取9支4m長，直徑為φ600mm的連鑄坯，將每支連鑄坯切為兩段，其中一段使用寬砧徑向壓實法，另一段作為對比使用傳統的KD砧進行拔長。其中一支坯料的截面照片如圖7所示，其中心部存在著肉眼可見的嚴重縮孔疏松缺陷。為了防止連鑄坯軸線上連續分布的缺陷在鍛前加熱過程中氧化，將所有連鑄坯端頭在切割后進行封焊。

圖7連鑄坯橫截面照片

對9支2m長的連鑄坯使用寬砧徑向壓實法沿徑向壓下，壓成扁方后將其回爐加熱，使已閉合的孔洞有充分的時間愈合。之后使用600mm寬砧拔長，摔圓至φ385mm，此鍛造過程如圖8所示。作為對比，取另外9支連鑄坯，使用600mm寬KD砧（上平砧和下V形砧）直接進行拔長，再摔圓至φ385mm。KD砧對坯料中心的壓實效果好于使用平砧。這些連鑄坯的高徑比達到了3.3，無法使用鐓粗工藝，只能直接進行拔長。

圖8 連鑄坯鍛造過程

在鍛造結束后，采用較為嚴格的GB/T 6402-1991的2級標準進行探傷，此標準要求密集型缺陷尺寸不超過2mm，單個缺陷尺寸不超過4mm。探傷結果顯示，使用KD砧直接拔長的對照組9支連鑄坯有5支合格，合格率為55.6%，沿坯料軸線隨機分布著點狀或密集狀的缺陷。這是由于拔長過程中壓下率較小，在局部接砧區域存在變形死區，該區域內的縮孔疏松無法有效愈合，從而導致探傷不合格。而采用寬砧徑向壓實法的9支連鑄坯合格率為100%。

使用寬砧徑向壓實工藝后應變均勻地沿坯料軸線分布，不存在變形死區，且應變較大，可使軸線縮孔疏松有效愈合。實驗結果證實寬砧徑向壓實法對愈合鋼錠或連鑄坯軸線縮孔疏松缺陷有非常好的效果，可以提高其探傷合格率，大大降低報廢風險。

結論

⑴通過對可能影響鍛造過程中大型鋼錠內部孔洞閉合的各種因素進行研究分析，發現變形溫度、應變速率、摩擦系數、試樣尺寸、孔洞尺寸對鍛造過程中孔洞的臨界閉合壓下率基本沒有影響，而試樣高徑比、孔洞位置和孔洞形狀對于孔洞的臨界閉合壓下率有較大影響。

⑵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。沿變形方向孔洞的高徑比越大，孔洞越難閉合。

⑶提出了寬砧徑向壓實工藝，該工藝可使應變集中于鋼錠中心區域，并滿足孔洞閉合所需高徑比的最佳條件，可有效愈合鋼錠的中心疏松。與傳統工藝相比，該工藝僅需要20%的壓下量即可使鋼錠中心部分的縮孔疏松缺陷完全閉合。