牛廣斌 徐國濤 芮守泰 張建國

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

Mn18Cr18N鋼護環(huán)熱鍛研究

牛廣斌 徐國濤 芮守泰 張建國

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

通過熱壓縮模擬試驗，對Mn18Cr18N鋼的高溫熱塑性進行了研究，對應力-應變曲線進行了測定，對護環(huán)熱鍛工藝過程進行了數(shù)值模擬。結果表明：在護環(huán)鋼錠的初鍛期，應變速率應盡量小，壓下慢；馬杠擴孔和芯棒拔長時應控制壓下量。

Mn18Cr18N鋼；護環(huán)；鍛造工藝；數(shù)值模擬

護環(huán)是發(fā)電機組中的關鍵部件之一，用來箍緊發(fā)電機轉子兩端繞組線圈，工作時承受裝配應力、離心力、彎曲應力和熱應力等，是發(fā)電機組中承受應力最大的部件。要求護環(huán)應具有高的屈服強度、良好的塑性指標、均勻的力學性能和較小的殘余應力。護環(huán)工作于潮濕、酸性或堿性介質中，護環(huán)材料應有良好的耐應力腐蝕性能。護環(huán)形狀簡單，但是性能要求很高，制造過程復雜，因此對制造護環(huán)的材質要求極高。Mn18Cr18N鋼是目前生產護環(huán)的主流材質，但該材質熱鍛時極易開裂，變形抗力大[1-3]。本文通過熱模擬試驗對Mn18Cr18N鋼的熱塑性、變形抗力進行研究，在此基礎上進行數(shù)值模擬，指導熱鍛工藝。

1 試驗材料及方法

試驗所用Mn18Cr18N鋼采用電渣錠冶煉，其化學成分如表1所示。

表1 試驗用鋼的化學成分(質量分數(shù)，%)

在Gleeble熱模擬機上于850～1250℃間每隔50℃進行等溫壓縮試驗，試樣為?8 mm×12 mm的圓柱體。試驗采用升溫法，即以5℃/s升溫至目標溫度以下50℃，然后以1℃/s加熱至目標溫度，保溫10 min后壓縮至原來高度的70%。

2 試驗結果與討論

2.1 熱模擬壓縮測流變曲線

(a)應變速率為0.001 s-1

(b)應變速率為0.01 s-1

(c)應變速率為0.1 s-1

(d)應變速率為0.5 s-1

真實應力-應變曲線反映了變形應力與變形條件之間的內在聯(lián)系，同時它也是材料內部組織性能變化的宏觀表現(xiàn)。通過等溫恒應變速率實驗所獲得的在不同實驗條件下Mn18Cr18N護環(huán)鋼的真實應力-應變曲線，如圖1所示。從圖1可以看出，Mn18Cr18N護環(huán)鋼的真應力-應變曲線的變化趨勢呈明顯的動態(tài)再結晶流變曲線，即曲線有明顯的應力峰值。達到應力峰值后，由于動態(tài)恢復與動態(tài)再結晶產生的軟化作用，曲線緩慢下降，逐步達到穩(wěn)定應力狀態(tài)。隨著溫度的降低，峰值應力σ及其所對應的峰值應變ε均增大，即曲線向右上方移動。這說明，溫度降低使動態(tài)回復及動態(tài)再結晶進行的難度增加。不難看出，基本變化規(guī)律是：隨著變形溫度的提高，流動應力不斷降低，變化趨勢基本相同。應變速率為0.001 s-1時，對應應力峰值的真實應變在0.1～0.15，此應變稱為Mn18Cr18N護環(huán)鋼的臨界動態(tài)再結晶應變，當?shù)刃兂^這個值后，動態(tài)再結晶開動。應變速率為0.01 s-1時，對應應力峰值的真實應變在0.15～0.25，此應變稱為Mn18Cr18N護環(huán)鋼的臨界動態(tài)再結晶應變，當?shù)刃兂^這個值后，動態(tài)再結晶開動。當應變速率較大達到0.5 s-1時，對應應力峰值的真實應變在0.4～0.6之間，此時的Mn18Cr18護環(huán)鋼的臨界動態(tài)再結晶應變約為0.5。由此可知，隨著應變速率的提高，臨界動態(tài)再結晶應變提高，這是由于應變速率高，原子來不及擴散所致。這表明：應變速率較小時，應力峰值發(fā)生在真實應變左右，Mn18Cr18N護環(huán)鋼的臨界動態(tài)再結晶應變的大小在0.4～0.5之間，當?shù)刃兂^這個區(qū)間后，動態(tài)再結晶開動。

由上可知，隨著應變速率的增大，臨界動態(tài)再結晶應變的值增大，可能導致Mn18Cr18N護環(huán)鋼熱鍛過程中變形初期的塑性差，即易于開裂，因此，Mn18Cr18N護環(huán)鋼錠的初鍛期，在保證溫度規(guī)范的前提下，應變速率應盡量小，壓下慢。

3 護環(huán)熱鍛數(shù)值模擬

研究Mn18Cr18N鋼高溫壓縮塑性，觀察不同應變速率下的真實應力-應變曲線及動態(tài)再結晶情況，將各曲線編輯后輸入到鍛造模擬軟件，作為基礎參數(shù)對該材質進行鍛造數(shù)值模擬。

護環(huán)鋼熱鍛的目的首先是擊碎粗大的原始鑄造組織、改變材料的顯微組織，改善材料性能，其次是成形護環(huán)脹形前毛坯的形狀。Mn18Cr18N護環(huán)鋼熱鍛后的組織性能以及高溫下的變形行為不僅與其化學成分、顯微組織等因素密切相關，而且還強烈地受變形溫度、變形程度和應變速率等熱變形工藝參數(shù)的影響。區(qū)別于創(chuàng)新的護環(huán)鋼熱鍛方法[4]，我們采用常規(guī)的600 MW機組護環(huán)鍛造工藝方法，如表2所示。

表2 600 MW機組護環(huán)鍛造工藝方法

(a)鐓粗前

(b)鐓粗后

圖3 空心沖子沖孔模擬

我們對該工藝進行數(shù)值模擬。

首先進行鐓粗模擬，模擬結果如圖2所示。

鐓粗后鍛件表面質量較好。利用空心沖子進行沖孔，沖孔模擬結果如圖3所示。

沖孔后發(fā)現(xiàn)內孔應力較大，可能在該處產生裂紋，但是模擬結果顯示未出現(xiàn)裂紋。我們接著對馬杠擴孔進行模擬。由工藝可知，馬杠擴孔過程將?400 mm的內孔擴孔到?670 mm，壁厚由原來的385 mm減薄到330 mm，同時外徑由原來的?1170 mm達到?1330 mm。通過模擬得到鐓粗及沖孔后的外徑尺寸及鍛件高度。利用上面的結果進行模擬。我們確定3圈的壓下，這樣可以節(jié)省鍛造時間，同時滿足在一定變形量的情況下又不能使鍛件產生裂紋。第一圈變形應當適宜，充分利用動態(tài)再結晶、靜態(tài)再結晶相結合的細化方式獲得均勻的組織。第一圈變形量太大，動態(tài)再結晶較充分，但第二圈靜態(tài)再結晶不夠充分。第一圈變形量太小，動態(tài)再結晶發(fā)生不充分，效果較有限。第三圈由于溫度降低，變形量不宜太大。因此需要我們對三圈的變形量進行分配，合理分配每圈的壓下量，見表3。

表3 壓下量方案

(a)第三圈壓后應力值

(b)第三圈壓后損傷值

(a)芯棒拔長后損傷值

(b)芯棒拔長應力值

擴孔后應力、損傷值如圖4所示。由圖4可以知道，成形效果較好，出現(xiàn)裂紋的部位較少。在內孔部位容易出現(xiàn)較大的應力，這與實際相符。由于該處溫度較低，應變較大，出現(xiàn)裂紋很正常。這是與成形方式相關的，只能通過改變壓下量的值來減少缺陷的產生，但是很難避免其出現(xiàn)。對護環(huán)進行馬杠擴孔后，我們進行了芯棒拔長的模擬。工藝中該部進行了兩個火次的成形，其中預拔長的變形量達到17%，出成品火次變形量達到27%，這樣確保了出成品時的臨界變形量，有效細化晶粒，同時變形量控制在30%以下，避免裂紋的產生及延伸。芯棒拔長通常在內孔壁處產生裂紋，尤其是兩端處。為提高拔長效率和保證鍛件質量，對不同鍛件采用不同工具和方法。對于護環(huán)生產，芯棒拔長采用上下V砧進行拔長。芯棒拔長模擬結果如圖5所示。

芯棒拔長內孔邊角處易形成裂紋，這是由于拔長過程中內孔和外表面與溫度相對較低的模具接觸，散熱較快，故降溫較快，且內孔邊角處散熱條件最好，溫度最低。由等效應力分布可知，內孔邊角處最高，較大的等效應力產生較大應變。這與實際芯棒拔長生產中經常在工件的內孔邊角處出現(xiàn)裂紋相吻合。

4 結論

通過對應力應變曲線的測定，對Mn18Cr18N鋼護環(huán)熱鍛工藝過程進行數(shù)值模擬，通過模擬在馬杠擴孔和芯棒拔長時對壓下量進行控制，減少護環(huán)鍛造裂紋出現(xiàn)的幾率。

[1] 周維智，孫曉潔，許國濤. Mn18Cr18N鋼護環(huán)生產工藝研究概況[J]. 大型鑄鍛件，2001(1)：52-54.

[2] 周維志，孫曉潔，李子凌，等. 奧氏體護環(huán)鋼的發(fā)展歷程[J]. 大型鑄鍛件，1999(4)：43-45.

[3] 陳玉明，周維志，宋雷鈞，等. 汽輪發(fā)電機組無磁性護環(huán)鍛件材料的演變過程和研究概況[J]. 大型鑄鍛件，2002(3)：48-52.

[4] 300 MW～600 MW汽輪發(fā)電機無磁性護環(huán)鍛件 技術條件：JB/ T 7030—2002[S].

編輯 杜青泉

Research on Hot Forming Process of Mn18Cr18N Steel Retaining Ring

Niu Guangbin，Xu Guotao，Rui Shoutai，Zhang Jianguo

The high temperature thermoplastic of Mn18Cr18N steel was studied by hot compression simulation test, the stress-strain curves was measured, and the hot forming process of retaining ring was numerical simulated. The result shows that during the early period of forging of retaining ring, the strain rate should be small as much as possible and the pressing should be slow. When saddle forging and mandrel drawing, the reduction should be controlled.

Mn18Cr18N steel, retaining ring, forging process, numerical simulation

2017—03—31

TG316

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