張曉旭 郭海萍 王志峰

(沈陽(yáng)鑄鍛工業(yè)有限公司鍛造分公司，遼寧110142)

大型厚餅類鍛件常出現(xiàn)的內(nèi)部質(zhì)量問(wèn)題是超聲檢測(cè)超標(biāo)，存在大面積的密集型缺陷，嚴(yán)重時(shí)，底波降低甚至完全消失。這些缺陷一般位于餅類鍛件2/3半徑之內(nèi)、厚度的中間位置附近，平行于端面呈層狀分布。這些層狀裂紋性缺陷，從缺陷的形狀及分布的位置來(lái)看，類似于“夾餡餅狀”。RST效應(yīng)(Rigid Slid Tearing Effect即剛性滑動(dòng)撕裂效應(yīng))和靜水應(yīng)力區(qū)力學(xué)模型的切應(yīng)力理論對(duì)這種“夾餡餅”缺陷均有比較深刻的認(rèn)識(shí)。本文主要利用這些理論來(lái)控制鍛造工藝過(guò)程參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)合理的冶金輔具形狀和尺寸，降低餅類鍛件的廢品率。

1 產(chǎn)品實(shí)例

材質(zhì)為20MnMo的管板鍛件，鍛件尺寸?2100 mm×310 mm，鍛件重8.430 t，用11.5 t真空精煉鋼錠生產(chǎn)。鍛造變形過(guò)程為：一火，壓鉗口，倒棱，錯(cuò)水口；二火，鐓粗至?1400 mm，拔長(zhǎng)下料8.96 t(?880 mm×1880 mm)；三～五火，鐓粗，滾圓，平整出成品。

超聲檢測(cè)執(zhí)行JB/T 47013.3—2015 Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。具體驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)如下：?jiǎn)蝹€(gè)缺陷當(dāng)量平底孔直徑≤?4 mm+6 dB，由缺陷引起的底波降低量BG/BF≤12 dB，密集區(qū)缺陷當(dāng)量直徑≤?3 mm，反射波幅≥?2 mm當(dāng)量平底孔直徑的密集區(qū)缺陷面積占檢測(cè)總面積的百分比≤5%。

2 切應(yīng)力理論

根據(jù)剛塑性拉應(yīng)力力學(xué)模型(見圖1)，變形體在平板間鐓粗時(shí)，存在剛性區(qū)、主動(dòng)塑性變形區(qū)、被動(dòng)塑性變形區(qū)和均勻壓縮區(qū)。拉應(yīng)力引起的萌生與擴(kuò)展的裂紋都存在于被動(dòng)塑性變形Ⅲ區(qū)內(nèi)。在高徑比H/D>1的圓柱體鐓粗時(shí)，由于難變形區(qū)或剛性區(qū)未相遇，毛坯端部不產(chǎn)生滑動(dòng)。當(dāng)高徑比H/D<1時(shí)，鐓粗體內(nèi)部的剛性區(qū)(Ⅰ區(qū))相遇，進(jìn)入靜水應(yīng)力區(qū)切應(yīng)力模型(見圖2)，上下剛性Ⅰ區(qū)相交的公共區(qū)域上作用著從圓中心向外的附加徑向拉應(yīng)力，從而引起剪切變形。在鐓粗過(guò)程中，隨著H/D的不斷降低，在靜水應(yīng)力區(qū)內(nèi)引起的剪切變形強(qiáng)度急劇增強(qiáng)。當(dāng)剪切變形時(shí)產(chǎn)生的切應(yīng)力超過(guò)材料的抗剪強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)在剪切變形劇烈處引起呈層狀出現(xiàn)、平行于接觸端面的剪切裂紋，鍛件中就會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部夾層裂紋性缺陷，產(chǎn)生剛性滑動(dòng)撕裂效應(yīng)。

因此，要防止餅類鍛件內(nèi)部出現(xiàn)這種層狀裂紋性或夾雜性缺陷，除了要主動(dòng)控制夾雜物形貌不超標(biāo)，減少或消除剪切變形的薄弱之處外，避免靜水應(yīng)力區(qū)過(guò)大切應(yīng)力的出現(xiàn)是保證餅類鍛件內(nèi)部質(zhì)量的行之有效的上策。

3 鍛造工藝參數(shù)控制

餅類鍛件(如管板)幾何形狀并不復(fù)雜，傳統(tǒng)的鍛造工藝方案是由鋼錠直接拔長(zhǎng)下料或者鐓粗拔長(zhǎng)下料，然后鐓粗成形。根據(jù)靜水應(yīng)力區(qū)力學(xué)模型的切應(yīng)力理論表明，只要合理控制鍛造過(guò)程中的工藝條件，使坯料內(nèi)部的上下兩個(gè)剛性體不發(fā)生接觸，就可以避免因RST效應(yīng)導(dǎo)致的鍛件內(nèi)部撕裂現(xiàn)象。一般，在大型鍛造生產(chǎn)的熱態(tài)壓力加工條件下，完全消除表面摩擦的影響，幾乎是不可能的。因此，合理控制其他工藝參數(shù)是切實(shí)可行的途徑。

Ⅰ—?jiǎng)傂詤^(qū) Ⅱ—主動(dòng)塑性變形區(qū) Ⅲ—被動(dòng)塑性變形區(qū) Ⅳ—均勻壓縮區(qū)圖1 剛塑性拉應(yīng)力力學(xué)模型Figure 1 Mechanical model of rigid plastic tension stress

圖2 靜水應(yīng)力區(qū)切應(yīng)力力學(xué)模型(高徑比H/D<1)Figure 2 Mechanical model of shear stress at static water stress zone (H/D<1)

(1)鐓粗體坯料尺寸規(guī)格的選擇，主要考慮鐓粗體要有足夠大的鍛造比，使原始鋼錠的內(nèi)部疏松缺陷得到充分焊合，鍛件得到中心壓實(shí)。因此下料尺寸規(guī)格選擇高徑比H/D為2.15，坯料尺寸規(guī)格為?880 mm×1880 mm。

(2)鐓粗過(guò)程首先是在上鐓粗板下平臺(tái)間進(jìn)行的，變形方式是上下對(duì)稱的，上下兩剛性區(qū)摩擦角和高度相等，有如下的關(guān)系式：α=β，h=l。隨著鐓粗過(guò)程的進(jìn)行，高徑比減小，鐓粗體直徑增加，變形坯料的尺寸發(fā)生變化。然而鐓粗坯料端部的面積增加是靠側(cè)表面翻邊形成的，因此屬于難變形區(qū)或剛性區(qū)的金屬仍是原始坯料的直徑范圍?880 mm。在理想狀況下，摩擦系數(shù)μ=0.5，α=β=45°，h=l=440 mm。在一般的熱加工高溫變形過(guò)程中，摩擦系數(shù)μ的數(shù)值大約在0.37～0.42之間，因此有α=33.3°～37°，h=l=325～370 mm。此時(shí)，坯料內(nèi)部剛性區(qū)發(fā)生接觸，砧寬比W/H=1.35～1.19。這樣，為避免上下兩剛性區(qū)相遇，上下平板間鐓粗時(shí)的鐓粗高度應(yīng)大于740 mm，因此第三火次鐓粗高度參數(shù)控制在750 mm。

(3)第四、五火次繼續(xù)鐓粗時(shí)，從避免RST效應(yīng)或使坯料內(nèi)部的剛性體在整個(gè)壓下變形過(guò)程中不發(fā)生接觸的角度出發(fā)，需要采用上平砧下平臺(tái)進(jìn)行局部鐓粗變形，砧寬比選擇W/H≤1.35。該管板鍛件高度為310 mm，因此砧寬應(yīng)小于418 mm。砧子長(zhǎng)度方向尺寸同理也應(yīng)小于418 mm。為此，我們專門設(shè)計(jì)了長(zhǎng)寬均為400 mm的小方砧進(jìn)行局部鐓粗變形，改善毛坯內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，使變形時(shí)靜水應(yīng)力剪切模型不存在或減小剪切變形。同時(shí)，為防止折疊和保證一定的變形效率，方截面尖角采用R50 mm的大圓角，局部鐓粗時(shí)控制壓下量在10%～15%。用400 mm小方砧局部變形壓一面兩道次后，再翻轉(zhuǎn)180℃壓另一面，壓至工藝尺寸。

按照上述工藝方案，生產(chǎn)的2件管板鍛件均一次性超聲檢測(cè)合格。

4 結(jié)論

根據(jù)靜水應(yīng)力區(qū)力學(xué)模型的切應(yīng)力理論，采用上下平板鐓粗至兩剛性區(qū)相遇之前，改用小方砧進(jìn)行局部鐓粗變形，可以改善變形體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，避免上下兩剛性區(qū)相遇產(chǎn)生附加的剪切變形，保證鍛件的內(nèi)部質(zhì)量，滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。