大型锻件杂性裂纹的有效控制及处理

作者：韩静涛 陈志平 李锦科 树森 陈钢

欢迎访问e展厅 展厅 10 锻压/冲压/轧制设备展厅 压力机, 空气锤, 锻压机床, 单柱液压机, 四柱液压机, ... 摘要 大型锻件的夹杂性裂纹问题是长期以来困扰我国重型行业发展的重要因素之一。为从根本上解决此问题，本文对大型锻件内部夹杂性裂纹的形成机理进行了模拟研究，得到了夹杂性裂纹形成及其在高温条件下自修复的规律。在此基础上，提出了能有效控制夹杂性裂纹的大型锻件锻造工艺。大型管板和模块锻件的控制夹杂性裂纹锻造工艺已在生产中应用，大大地提高了大型锻件的成品率和产品内在质量，具有十分显著的经济和社会效益。 关键词 夹杂性裂纹 大型锻件 裂纹修复 控制锻造 1 概述 大型锻件作为重要或关键部件，已被广泛用于重型机械、能源、冶金、矿山、兵器、航空、航天、石油、化工等行业所用的关键设备。因此，大型锻件生产水平的高低，在一定程度上被视为衡量一个国家工业发展水平的标准，在国民经济中占有重要的地位。饼类和模块类锻件是大型锻件的主要产品，饼类锻件包括汽轮机锅炉用管板和叶轮、核反应堆压力壳平顶盖、热交换器管板、化工容器底封头等，而模块锻件则主要用做制造各种压力机和锻锤的锻造工具。在实际生产中，此类锻件废品率高，生产难度大，生产中反映最严重的便是夹杂性裂纹问题[1，2]。 由于多种因素的影响，大型锻件用的钢锭内不可避免的存在着各种类型的夹杂物。对于外来夹杂物，解决问题的方法较为简单，可采取一切措施来防止它们进入钢中，这方面的理论研究和实际应用工作近年来进行的较多，进展很大。而对于内生夹杂物，问题就要复杂的多，因为它们是钢的组成部分，虽然其数量、大小、形状、分布和组成等都可以得到改善，但绝对不可能完全避免。这些夹杂物的存在及其在压力加工中的变化，构成了产生夹杂性裂纹最主要的动因。在管板锻件的常用材料20MnMo、模块锻件的常用材料5CrMnMo等钢中，最主要的非金属夹杂为硫化物（以MnS为代表）、铝酸盐类（以铝酸钙为代表）及少量的氧化物夹杂，并且热锻裂纹主要产生于硫化锰等塑性夹杂物附近。在饼、块类锻件的锻造过程中，在不均匀变形的作用下，锻件心部的金属流动远较周围更加剧烈，裂纹的聚合更加容易。因而，产生的缺陷也更多、尺寸更大。因此，研究夹杂性裂纹形成的机理，探讨这种裂纹修复的可能性，通过改变锻造工艺达到控制的目的，是一个非常有意义的学科前沿性课题。 2 夹杂性裂纹的形成 我们知道，钢锭中存在的各种夹杂物是产生大型锻件内部质量问题的重要原因，随锻件和钢锭单重的增加，矛盾更加突出。然而，对夹杂物在塑性变形过程中的行为、夹杂物与夹杂性裂纹之间的关系等问题较深入的分析研究则十分缺乏。 为了解塑性夹杂对金属基体变形的影响，我们用含塑性夹杂和不含夹杂的模型试样在有再结晶和无再结晶的变形条件下进行了压缩试验。图1为当变形程度为15%时，所得到的云纹照片。由图中可见，在不含塑性夹杂的变形体图1a内，云纹的分布基本上是均匀等距的，即变形是均匀分布的；而在同样的变形条件下（图1b），在夹杂物的顶端部位，与水平轴大约成45°角的方向云纹则较为密集，而其它部位则相对变得稀疏。当出现再结晶时（如图1c），这种情况愈加严重，变形不均匀的程度迅速增加。 由云纹图，计算并绘出相应的等效应变分布如图2所示。由图中可看出，在无夹杂的模型试样中，等效应变的数值均在0.1～0.2之间，且分布均匀（见图2a）；而当试样中含有夹杂时，在夹杂物的临近区域内，等效应变的局部集中现象较明显，应变梯度增大（见图2b），在与夹杂物水平轴成45°角的方向有大塑性变形区的延伸；当有再结晶时，不仅有明显的剪切带出现，而且剪切带的范围及等效应变的数值也加大（见图2c）。 将上述结果和对裂纹尖端塑性变形的微细观观察所得到的结果进行了对比[3]，可以认为，夹杂物顶端的应变分布与裂纹顶端钝化后的应变分布基本上是一致的。根据滑移线理论可以解出，在夹杂物顶端的前沿方向，应力值满足 将所得到的物理现象与上式进行综合分析，可得到下述结论： 1）因塑性夹杂物被压扁在金属基体内部产生一个应力、应变集中区（影响区），这个区域的影响范围为：在夹杂物顶端前沿方向大约为夹杂物厚度2Rb的两倍； 2）应力集中的峰值仅与材料本身的特性参数k及施加于此处的单位变形力 有关； 3）若施加于夹杂物区域的静水压力值不够大，将会在夹杂物顶端的应力、应变集中区内产生产水平方向的拉应力，即σx＞0； 4）最大剪切应力的作用方向在影响区的顶端与水平轴成45°角的方向，即最大剪应力方向。 这些表观现象，符合微细观裂纹在扩展阶段的行为。因而可以认为：在塑性变形的过程中，塑性夹杂物在开始变形的瞬时，即由微裂纹的萌生进入了其扩展阶段。夹杂物被压扁的过程，可看作裂纹尖端钝化了的微裂纹的扩展过程。 3 夹杂性裂纹的修复 目前，细观力学研究中对金属材料损伤过程所给出的结论，一般仅适用于材料冷加工中损伤及成形极限问题的分析。在冷加工条件下，损伤的发生和发展为一单向增长过程，即损伤变量只能持续的增加。但事实上，金属在热加工条件下，微观损伤的发展受到了某种机制的抑制，其影响使得在微裂纹扩展的同时，有一可逆的修复过程。 大量的实验结果表明[1]；夹杂性裂纹是由多个片状夹杂（微裂纹）所造成损伤的聚合裂纹体。在片状夹杂物之间，为纯金属基体的剪切裂纹所连接。片状夹杂分隔了金属基体，这种损伤是不可修复的；而纯金属基体之间的裂纹部分则有可能在一定的条件下，通过金属间的扩散及其它作用而修复。 图3显示了在裂纹自修复的过程中，裂纹附近金相组织的变化。通过对试样的观察与分析，可将裂纹的修复过程分为两个阶段： 1）裂纹处空洞填充：在修复过程的初期，裂纹空洞部分的体积被与基体金属成份相同的金属所填充。填充物由非常细小的晶粒组成，并含有大量的显微孔洞，填充部分与基体的分界面清晰； 2）晶粒长大：填充区域内的细小晶粒逐渐长大，填充物与金属基体的分界面渐渐消失，填充物中的显微孔洞尺寸和数量逐渐减小，直至填充区域内的晶粒与基体相同。 为定量的描述裂纹的自修复过程，我们用声显微镜实际测量了不同加热温度和保温条件下，裂纹修复的百分率。根据实测值绘出了裂纹修复百分率与保温时间的关系图（图4）。由图可见，裂纹修复率主要受控于加热温度；对于给定的实验材料而言，当保温时间高于15分钟时，继续增加保温时间对裂纹修复的贡献相对较小。 对于一定的金属材料而言，在特写的条件下，其内部的裂纹在高温条件下自修复现象的发现，是十分有意义的，对其机理尚有待于进一步的研究。 4 有效控制夹杂性裂纹的锻造工艺方法 在模拟研究的基础上，运用已有的研究结论，分别给出了：一锭一件锻造大型及特大型饼类锻件、一锭多件锻造大中型饼类锻件、近方形模块锻件和板形模块锻件这四种以控制夹杂性裂纹等缺陷为特色的锻造工艺。这种工艺方法的目的，就是在锻件成形的过程中，除锻件外部尺寸精度达到要求外，还要对锻件内部质量进行同步控制。限于篇幅，这里仅对在大型饼类锻件的工艺制订中，除按常规锻造工艺确定部分工艺参数外，还应遵循的准则分列如下： 1）控制预镦粗变形量 用普通钢锭生产管板锻件时，无论孔洞和疏松的压实靠拔长操作还是靠镦粗操作来实现，对钢锭进行预镦粗都是不可避免的。模拟研究的结果表明，高径比H/D在0.6～2.0之间的钢锭，内部微夹杂性裂纹开始聚合的镦粗变形量为50%。考虑到后续变形对锻件心部夹杂延展的进一步作用，钢锭的预镦粗变形量应控制在40%左右为宜。如需要进一步减少锻件的高度，可采用旋转进砧压下来实现。 2）保证压实所需的变形工艺参数 普通钢锭生产饼类锻件时，由于镦粗比大，一般钢锭内部的孔洞、疏松等缺陷都有可能在成形的过程中被压实。但若钢锭重量大而压机吨位小，或成品锻件较厚，则有可能出现无法达到压实要求的情况。因此，采用FM法锻造时，应满足砧宽比W/H＞0.6，单面压下量＞15%的要求。 3）控制终锻火次及变形量 为修复前步锻造工艺中可能产生的、探伤可见的夹杂性裂纹，要求在普通锻造工艺中，增加对终锻火次和变形量的控制要求。由于锻件内部未完全被夹杂物分隔的裂纹在一定的条件下是可以修复的。具体执行时，可将半成品锻件返炉后，在高温下保温，使锻件内部裂纹处的孔洞被充分填充，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达到对锻件的尺寸要求。对终锻火次进行控制的另一目的是利用锻件的高温停锻效应，以保证锻件内部晶粒尺寸的均匀一致，避免混晶现象的发生。因为晶粒尺寸的大小可以通过后续热处理进行调节，但混晶则是难于改变的。 5 实际应用效果举例 5.1在锻造工艺中的应用 在84MN水压机上，按上述工艺方法，制订了按一锭一件方式生产ф1620×420mm的管板锻件锻造工艺，并一次投料组织生产了8件管板锻件。经超声探伤检测证实：锻件各种检测指标全部符合“JB3963－85”压力容器锻件超声探伤标准。相对比而言，按原普通锻造工艺生产此类锻件的生产统计结果为探伤缺陷率44.1%、废品率14.7%。 用上述工艺方法，在25MN水压机上，还成功地组织生产了100余吨奥氏体不锈钢管板锻件。此外，某厂用该工艺方法在125MN水压机上，生产了两件超大型方形管板锻件，经检验完全合格。 目前，工厂中对因夹杂性裂纹而报废的大型模块锻件一般用改锻法处理，即将大锻件加热后，切为小锻件重新锻造，基本不会再出现废品。这在实际上也是利用了高温条件下裂纹自修复的原理，但仅作为一种不自觉的应用。为此，我们提出了对报废的大型模块锻件进行成品尺寸不变的重新锻造方法，并进行了生产性试验，结果经重新锻造的大型模块锻件全部合格。 5.2自修复方法的应用 为考察裂纹自修复方法在大型锻件生产中应用的可能性，用生产中经超声探伤检验已报废的大型锻件进行了验证性试验。试验一是用五块报废的大型管板锻件进行，因成品管板锻件的尺寸不能改变，故只能进行高温处理。根据不同管板锻件的材料和尺寸，确定了加热时间、加热温度、保温时间和温度。上述管板锻件经高温处理后的再次探伤检测证实，其中两件探伤缺陷完全消除，锻件质量完全符合国家标准，作为合格锻件出厂；另外两件有明显效果，探伤发现夹杂性裂纹缺陷的范围已由ф900mm减少到ф300mm，且单个缺陷的当量也由ф14mm下降到ф9mm以下，锻件基本合格。某厂采用该方法处理了六根已经报废的轴类锻件，经检测已完全合格出厂。 上面的实际应用说明，裂纹在高温条件下修复的规律不仅具有理论上的意义，而且有着更广泛的实际意义，在锻造生产中利用这种规律，对于提高锻件的内部质量、降低成本、提高成材率，其应用潜力是巨大的。对实际应用中发现损伤的重要或大型结构件，也可进行类似的处理，有较好的应用前景。本文的研究工作仅是个开端，尚有待于深入发展。 6 结论 1）对夹杂性裂纹形成机理的模拟结果表明：在塑性变形过程中，被压扁的塑性夹杂物在基体金属内部产生一个应力、应变集中区。可以将夹杂物被压扁的过程，看作是裂纹尖端钝化了的微裂的扩展过程。 2）对材料内部裂纹自修复现象的研究结果表明：裂纹的修复速度对加热温度有更强的依赖作用，延长保温时间对裂纹自修复有一定的促进作用。在一定的温度和保温时间条件下，微裂纹可以被修复。 3）对已报废的管板、模块和轴类锻件所进行的生产性修复试验的结果表明：大部分大型锻件中的夹杂性裂纹可以通过特定的处理方法来修复。对这种大型锻件乃至大型结构件内部裂纹修复方法和工艺的进一步开发研究是一种具有极大潜力的资源，具有十分显著的经济效益和社会效益。 4）有效控制夹杂性裂纹的大型锻件锻造方法的主要技术特色为：①控制钢锭的预镦粗变形量，以控制夹杂物的形貌并减少夹杂性裂纹的产生；②对锻件成形工序的全过程进行压实、打碎铸态组织和锻件均匀变形的控制，以提高锻件的内部质量；③控制终锻火次的加热及锻造操作，消除可能产生的夹杂性裂纹缺陷；④利用高温停锻效应抑制混晶现象的发生。这种方法在生产中的应用结果表明，该工艺方法可有效地控制大型管板、模块锻件中夹杂性裂纹等锻造缺陷，可大大提高锻件的成品率，具有可观的经济和社会效益，值得大力推广。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/10/2006)