20CrMnSiNi2MoA鑿巖用鋼等溫自由鍛模擬及試驗研究

潘光永 余新平 馬修金

浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，東陽，322100

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20CrMnSiNi2MoA鑿巖用鋼等溫自由鍛模擬及試驗研究

潘光永 余新平 馬修金

浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，東陽，322100

針對鑿巖鉆頭用鋼20CrMnSiNi2MoA，基于JMatPro軟件模擬計算材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，并線性回歸出材料的流變應(yīng)力方程；基于DEFORM-3D有限元軟件對材料進行了不對稱V型砧鍛造法等溫自由鍛造壓縮，并預(yù)測了微觀組織變化趨勢。研究結(jié)果表明：原始奧氏體晶粒隨著壓縮量的變大，發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，晶粒尺寸得到細化；溫度一定時，隨著變形速率的提高，晶粒平均尺寸變小。將通過不對稱V型砧鍛造法等溫自由鍛及熱處理得到的鉆頭成品的機械性能與國外同類產(chǎn)品的機械性能進行了對比。

20CrMnSiNi2MoA鋼；動態(tài)再結(jié)晶；微觀組織；機械性能

0 引言

高氣壓潛孔鑿巖鉆機是目前中大孔徑鑿巖工程中使用量較大的一種鑿巖機械，廣泛應(yīng)用于建筑、地鐵、橋梁等深基坑、樁基孔的開挖工程施工領(lǐng)域[1-3]。目前與高壓潛孔鉆機配套使用的大口徑(φ250 mm以上)鉆頭以進口為主，國內(nèi)尚處于研制階段，生產(chǎn)的鉆頭在使用過程中容易產(chǎn)生主體斷裂、合金齒掉粒等問題[4]。基于此，我們與國內(nèi)某特殊鋼廠合作研究并進行多次試驗，自主開發(fā)了具備超純冶煉技術(shù)的超高強度鑿巖鉆頭主體材料20CrMnSiNi2MoA鋼。

一般認為，金屬材料的力學(xué)性能差異與其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，晶粒越細，則金屬的強度、硬度越高，塑性和韌性越好；在強韌化機制中，再結(jié)晶細化晶粒既能提高材料的強度，又能改善韌性，是使用較多的一種方法[5-6]。采用某研究所提出的FMV上下V型砧鍛造法對20CrMnSiNi2-MoA鋼大口徑鉆頭毛坯進行等溫自由熱鍛成形。相關(guān)研究表明，F(xiàn)MV法中，上下V型砧寬比在1∶2.5～3時的壓實效果較好[7]。熱鍛過程中可能會發(fā)生相變、動態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶等影響材料強韌性的微觀組織變化，并且熱鍛后經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砟芊竦玫皆鰪姴牧蠌婍g性的組織，需要進行相應(yīng)的研究。因此，本文采用DEFORM-3D有限元軟件對20CrMnSiNi2MoA鋼熱鍛過程中發(fā)生的再結(jié)晶等組織變化進行數(shù)值模擬及試驗研究，以期為相關(guān)熱加工工藝的制定提供依據(jù)。

1 實驗材料和方法

實驗材料為某鋼廠提供的φ160 mm的20CrMnSiNi2MoA高強度合金結(jié)構(gòu)鋼軋制棒材，化學(xué)成分如表1所示，室溫平衡組織為鐵素體和珠光體，奧氏體化轉(zhuǎn)變開始轉(zhuǎn)變溫度(AC1)、轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度(AC3)分別為650 ℃及830 ℃。

表1 20CrMnSiNi2MoA鋼材料成分的質(zhì)量分數(shù) %

采用JMatPro軟件模擬計算20CrMnSiNi2-MoA鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線；首先在軟件中輸入該材料的化學(xué)成分，并基于流變應(yīng)力模型及熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫模擬計算得到變形溫度分別為900 ℃、1000 ℃、1100 ℃、1200 ℃，應(yīng)變速率分別為0.01s-1、0.1s-1、1s-1、10s-1，最大真應(yīng)變量為0.9的應(yīng)力應(yīng)變曲線，并通過數(shù)據(jù)擬合得到該材料的流變應(yīng)力方程。

將計算得到的流變應(yīng)力方程及材料相關(guān)熱物性參數(shù)輸入到有限元軟件DEFORM-3D中，并對20CrMnSiNi2MoA鋼進行FMV法等溫自由鍛造壓縮模擬。FMV法自由鍛造幾何模型如圖1所示。模擬方案：坯料為φ8 mm×12 mm的圓柱體，由于材料始鍛溫度為1150 ℃左右，因此選擇變形溫度為1150 ℃。為保持等溫?zé)嶙冃危O(shè)定模具溫度與變形溫度一樣，并在熱變形過程中與環(huán)境無傳熱。變形壓下速率分別為0.05 mm/s、0.1 mm/s、0.2 mm/s，壓下量分別為2 mm、3.5 mm；基于DEFORM-3D微觀組織模塊的元胞自動機模擬預(yù)測材料熱變形過程中的組織變化趨勢；元胞自動機組織演化模擬是基于熱變形過程金屬內(nèi)部的位錯密度變化來進行的，其中，位錯密度ρ可以用熱變形過程的應(yīng)變ε來表示[8]：

(1)

(2)

(3)

圖1 FMV法自由鍛造幾何模型

為驗證前述模擬的可行性，將20CrMn-SiNi2MoA鋼棒材加工成φ8 mm×12 mm的試樣，在4MN等溫鍛造液壓機上進行FMV法等溫鍛造壓縮試驗。試驗條件：首先將試樣加熱到1150 ℃，然后按前述模擬方案進行熱壓縮變形試驗。熱變形過程在液壓機下的加熱爐里進行，以保持模具及坯料溫度不變。變形結(jié)束后，將試樣迅速進行水冷以保留高溫組織狀態(tài)，然后用線切割的方法制成金相試樣，并用5 g飽和苦味酸、6 mL海鷗牌洗滌劑、100 mL蒸餾水的混合物蒸煮3 min左右，最后在光學(xué)顯微鏡下觀察金相顯微組織。

基于模擬及試驗分析，在一定變形參數(shù)下對鋼錠進行FMV法等溫自由鍛，得到潛孔鉆頭毛坯，隨后進行相應(yīng)熱處理，并對鍛件材料相關(guān)機械性能進行測試。最后比對國外φ380 mm大口徑高氣壓鉆頭主體材料機械性能。

2 20CrMnSiNi2MoA鋼流變應(yīng)力方程

采用JMatPro材料性能模擬軟件計算得到的20CrMnSiNi2MoA鋼熱變形過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2所示。

(a)T=900 ℃

(b)T=1000 ℃

(c)T=1100 ℃

(d)T=1200 ℃

觀察20CrMnSiNi2MoA鋼不同變形條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線可知：同一變形溫度下，應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的升高而變大；同一應(yīng)變速率下，隨著溫度的升高，應(yīng)力呈下降的趨勢。如圖2a所示，可以把應(yīng)變速率10s-1曲線分為1、2兩個區(qū)域階段。在1區(qū)階段，金屬中的位錯滑移占主導(dǎo)地位，隨著應(yīng)變量的增大，位錯密度不斷增加，位錯割階不斷增多，滑移受阻，應(yīng)變硬化發(fā)生，應(yīng)力隨之上升。應(yīng)變量超過峰值應(yīng)變εt時進入2區(qū)，此時位錯攀移逐漸占主導(dǎo)地位，材料加工硬化現(xiàn)象得以逐漸消除，同時應(yīng)力出現(xiàn)了減小的趨勢，這是由于在變形晶粒的晶界或滑移帶及晶格畸變嚴重的地方發(fā)生了動態(tài)回復(fù)或動態(tài)再結(jié)晶。可以觀察到，在不同的變形條件下，峰值應(yīng)變εt是不同的，高的溫度和低的應(yīng)變速率將使εt較小。

20CrMnSiNi2MoA鋼在900～1200 ℃、應(yīng)變速率在0.01～10s-1條件下，流變應(yīng)力、應(yīng)變速率和溫度之間的關(guān)系可以采用相關(guān)學(xué)者提出的Arrhenius關(guān)系式來表達[9-10]：

(4)

式中，A、n和α均為常數(shù)；σ為高溫流變應(yīng)力。

[9-10]，對式(4)取對數(shù)，轉(zhuǎn)換為線性問題，依據(jù)材料流變應(yīng)力曲線，線性回歸得出方程中的各個系數(shù)，可將式(4)改為

(5)

3 結(jié)果與討論

3.1 FMV法等溫自由鍛造壓縮

在DEFORM-3D中，對20CrMnSiNi2MoA鋼進行FMV法等溫自由鍛造壓縮模擬：熱壓縮變形溫度為1150 ℃，壓下速率分別為0.05 mm/s、0.1 mm/s、0.2 mm/s，壓縮變形量分別為2.0 mm、3.5 mm。然后基于DEFORM-3D軟件微觀組織模塊的元胞自動機模擬預(yù)測了不同熱變形條件下的組織變化趨勢。圖3所示為模擬的壓縮過程，圖4所示為熱壓縮過程坯料心部P1點等效應(yīng)變、應(yīng)力變化曲線。

圖3 熱壓縮過程模擬圖

圖4 熱壓縮過程P1點等效應(yīng)變、應(yīng)力變化曲線

一般認為，自由鍛不但使鍛件成形，而且讓鍛件經(jīng)過多向鍛壓之后，壓實鍛件的心部，去除焊合孔洞和疏松缺陷及破碎原始鑄造組織。鍛壓過程中，鍛件內(nèi)部組織變化與應(yīng)力、應(yīng)變等有著密切的聯(lián)系。從圖4所示的鍛件心部點P1的等效應(yīng)力應(yīng)變變化曲線可知，隨著等效應(yīng)變的增大，剛開始壓縮時，位錯密度持續(xù)增大，材料加工硬化出現(xiàn)，導(dǎo)致應(yīng)力也隨之增大，并達到一個最高點后開始下降。這是由于持續(xù)高溫變形以及位錯不斷地塞積，熱變形再結(jié)晶激活能得到不斷的積聚，最后使得鍛件內(nèi)部開始發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，這一現(xiàn)象可以從圖5a～5c所示的基于元胞自動機模擬的微觀組織仿真形貌觀察到，隨著壓縮變形量增大，20CrMnSiNi2MoA鋼奧氏體組織發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，晶粒尺寸得到了明顯的細化，同時使得等效應(yīng)力變小。

圖5d～圖5f所示為1150 ℃下不同變形速率熱變形后的微觀組織仿真形貌，可知，隨著變形速率的提高，晶粒尺寸不斷變小。參照前述應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，隨著變形速率的提高，位錯滑移階段時間將延長，這使得在相同的變形量下，位錯塞積得更多，加工硬化率變大。同時，在高溫條件下，變形儲存能得到增加，為動態(tài)再結(jié)晶提供了激活能，金屬內(nèi)部將發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。由于變形速率的增大，動態(tài)再結(jié)晶過程的時間也將相應(yīng)縮短，使得晶粒形核以后，有些晶粒還來不及長大。變形速率大到一定程度，金屬內(nèi)部組織將只發(fā)生加工硬化及動態(tài)回復(fù)，晶粒尺寸將可能得不到細化。綜上所述，在一定的變形條件下，20CrMnSiNi2-MoA鋼奧氏體平均晶粒尺寸隨著變形速率的增大而變小。

圖6所示為不同變形條件下的試驗金相組織，對比前述相同條件下的微觀組織仿真形貌，可知模擬結(jié)果較好地反映了組織變化趨勢。

(a)壓縮變形量為0 (b)壓縮變形量為2.0 mm (c)壓縮變形量為3.5 mm

(d)變形速率為0.05 mm/s (e)變形速率為0.1 mm/s (f)變形速率為0.2 mm/s

(a)壓縮變形量為0 (b)壓縮變形量為2.0 mm (c)壓縮變形量為3.5 mm

(d)變形速率為0.05 mm/s (e)變形速率為0.1 mm/s (f)變形速率為0.2 mm/s

3.2 熱處理方案制定及機械性能的測試

由前述模擬及試驗分析可知，20CrMnSiNi2-MoA鋼在1150 ℃、0.2 mm/s變形速率下熱變形后，材料內(nèi)部組織的晶粒尺寸細化較明顯，因此在此變形條件下對大鋼錠進行FMV法等溫多向自由鍛，得到大口徑潛孔鉆頭毛坯。鉆頭毛坯在熱加工成形后一般都需要進行熱處理，以得到綜合性能更為匹配的使用件。目前，鋼的熱處理強化一般有兩種方式：一是通過淬火獲得馬氏體，提高材料的強度及其他機械性能指標(biāo)；二是在工件淬火后進行回火，同時消除和減小淬火應(yīng)力，使鋼的脆性降低，韌性和塑性提高，最終提高材料的綜合機械性能[11]。鋼在奧氏體溫度區(qū)域進行鍛造后，在不同過冷度下的等溫轉(zhuǎn)變曲線可綜合反映材料在不同過冷度下的等溫轉(zhuǎn)變過程，為材料的形變熱處理提供依據(jù)；從等溫轉(zhuǎn)變曲線上看出合適的熱處理溫度和時間范圍，據(jù)此確定相轉(zhuǎn)變產(chǎn)物[12]。通過JMatPro材料性能模擬軟件計算得到20CrMnSiNi2MoA鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線見圖7。

圖7 20CrMnSiNi2MoA鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線

鉆頭毛坯通過熱鍛成形后，需要進行預(yù)先熱處理，一般是通過正火和高溫回火，去除熱加工帶來的內(nèi)應(yīng)力，同時改善其切削性能。20CrMnSiNi2MoA鋼奧氏體轉(zhuǎn)變溫度為850 ℃左右，因此選擇正火溫度為900 ℃，正火時間根據(jù)零件毛坯直徑選擇1 h。由等溫轉(zhuǎn)變曲線可知，過冷奧氏體在相應(yīng)溫度等溫分別會析出不同的組織。等溫溫度在700～800 ℃之間時，組織中將析出鐵素體；等溫溫度在500～700 ℃之間時，將會同時析出鐵素體和珠光體。因此選擇高溫回火溫度為650 ℃。從等溫轉(zhuǎn)變曲線可知，650 ℃下的珠光體轉(zhuǎn)變完成時間在7 h左右，因此選擇回火時間為7.5 h。鍛件毛坯經(jīng)過預(yù)先熱處理后進行粗精加工，緊接著進行二次熱處理：第一步是退火，消除機加工帶來的應(yīng)力，接著進行淬火，得到馬氏體組織，隨后進行低溫回火。熱處理工藝方案如表2所示。

表2 潛孔鉆頭熱處理工藝

通過鍛造及熱處理最終得到φ380 mm大口徑潛孔鉆頭，如圖8所示。鉆頭在高能量小頻率的沖擊下工作，多次沖擊下的破壞過程是裂紋的產(chǎn)生與擴張過程，裂紋的產(chǎn)生是各次沖擊損傷積累發(fā)展的結(jié)果，為此要求材料的疲勞極限、塑性指標(biāo)(伸長率、斷面收縮率)及平面應(yīng)變斷裂韌性(反映材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展速度的能力)、沖擊功等綜合指標(biāo)較好。對成品鉆頭材料進行機械性能測試，并與國外同類產(chǎn)品材料4330 mod機械性能對比，如表3所示，可以發(fā)現(xiàn)，抗拉強度、屈服強度等抗疲勞過載能力優(yōu)于國外產(chǎn)品材料，但是抗裂紋失穩(wěn)擴展等能力稍微遜色于國外產(chǎn)品材料。

圖8 大口徑潛孔鉆頭產(chǎn)品

20CrMnSiNi2MoA4330mod抗拉強度δb(MPa)14001350屈服強度σ0.2(MPa)11001060伸長率δ(%)1517斷面收縮率ψ(%)5154沖擊功AKV(J)5360斷裂韌性KIC(MPa/mm2)53.5058.24硬度(HRC)44～4943～47

鍛件毛坯經(jīng)過預(yù)先熱處理后，對工件后續(xù)的粗精加工工藝提出更為嚴格的技術(shù)要求：①產(chǎn)品各過渡尺寸斷面必須圓角；②整體加工表面粗糙度控制在3.2 μm以內(nèi)；③外表面與內(nèi)孔均進行噴丸處理。此外，還需要進行一系列的探傷檢查：原材料出廠探傷檢查、粗車后探傷檢查、熱處理探傷檢查、精加工探傷檢查，以保證產(chǎn)品內(nèi)部組織沒有缺陷，杜絕裂紋源與疲勞源的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

(1)本文針對鑿巖鉆頭用鋼20CrMnSiNi2-MoA，基于JMatPro軟件模擬計算得到材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，并線性回歸出材料的流變應(yīng)力方程。

(2)基于有限元軟件DEFORM-3D對材料進行FMV法等溫自由鍛造壓縮模擬，預(yù)測了20CrMnSiNi2MoA鋼在不同變形條件下的組織變化趨勢：原始奧氏體晶粒尺寸隨著壓縮量的變大，發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，晶粒得到細化；溫度一定時，隨著變形速率的提高，晶粒平均尺寸呈現(xiàn)變小的趨勢，這是由于再結(jié)晶過程時間的縮短，使得晶粒形核來不及長大。

(3)基于模擬及試驗分析，對20CrMnSiNi2-MoA鋼錠進行FMV法等溫自由鍛及熱處理，得到φ380 mm鉆頭成品，將其機械性能與國外同類產(chǎn)品材料進行對比，可知抗拉強度、屈服強度等抗疲勞過載能力優(yōu)于國外產(chǎn)品材料，但抗裂紋失穩(wěn)擴展等能力稍微遜色于國外產(chǎn)品材料，因此對加工工藝提出了更為嚴格的要求。

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(編輯 張 洋)

------------------作者簡介：潘光永，男，1968年生。浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與控制工程學(xué)院副教授。主要研究方向為機械材料。發(fā)表論文12篇。余新平，男，1990年生。浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與控制工程學(xué)院講師。馬修金，男，1950年生。浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與控制工程學(xué)院高級工程師。

第十二屆海峽兩岸薄膜科學(xué)與技術(shù)

研討會于2016年10月24日在

成都召開

會議開幕式由西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長朱旻昊教授主持。 中國機械工程學(xué)會表面工程分會主任委員陳建敏研究員和臺灣鍍膜科技協(xié)會理事長丁志明教授共同回顧了兩岸薄膜技術(shù)交流模式的建立和發(fā)展過程。臺灣鍍膜科技協(xié)會理事長丁志明教授作《Ternary Nanocomposite Coatings for Use asSupercapacitor Electrodes》的報告，陳家富教授作報告《超高頻均勻性高密度電漿源開發(fā)》，杜正恭教授作《Improvement of Li4Ti5O12 anode materials viaatmosphere pressure irradiation and carbon passivation layer approach forstable high rate lithium-ion batteries》的報告， 黃嘉宏教授和黃何雄教授也從各自研究領(lǐng)域出發(fā)，分別作了《Residual Stress Measure-ment on Hard Coatings bycombining Nanoindentation and Average X-ray Strain (AXS) technique》和《應(yīng)用電化學(xué)技術(shù)于醫(yī)用鈦金屬之表面處理及其生物性能評估》的報告。李志偉教授結(jié)合近年來臺灣地區(qū)物理鍍膜技術(shù)與新穎薄膜材料的發(fā)展情況，作了《近年來臺灣地區(qū)物理鍍膜技術(shù)與新穎薄膜材料的發(fā)展》的報告。陳建敏研究員作《航天潤滑表面工程技術(shù)應(yīng)用研究》的報告，邵天敏教授和田修波教授作為大陸代表分別作了《膜基性能匹配對硬質(zhì)薄膜摩擦學(xué)行為的影響》和《高功率脈沖磁控(HiPIMS)具有常規(guī)直流磁控的沉積速率可能嗎》的報告。

(本刊編輯部)

Simulation and Experiments for Isothermal Free Forging Processes of 20CrMnSiNi2MoA Drilling Steel

Pan Guangyong Yu Xinping Ma Xiujin

Zhejiang Guangsha College of Applied Construction Technology, Dongyang, Zhejiang, 322100

The stress-strain curves of 20CrMnSiNi2MoA steel was calculated by JMatPro simulation software. And then the material flow stress constitutive equation was calculated based on stress-strain curves. The material of forging method of asymmetrical V-type die(FMV) isothermal free forging compression was simulated based on finite element software DEFORM-3D.The prediction of microstructure simulation results shows that the original austenitic grain size decreases as the amounts of compression are refined due to the occurrence of dynamic recrystallization. And the average grain size is smaller with the increases of deformation rate at a certain temperature. Through the FMV free of isothermal and heat treatment the bit products were obtained. And their mechanical properties compared with similar foreign product materials.

20CrMnSiNi2MoA steel; dynamic recrystallization; microstrure; mechanical property

2016-01-05

國家自然科學(xué)基金資助項目(51275145)

TG 142.1

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.21.020