金井智則，中崎盛彥，高須一郎，石橋直彌，宮本俊輔 于 紅（譯）

（東北特殊鋼集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，遼寧大連 116105）

1 引言

本公司目前使用3,000t和5,000t鍛造油壓機(jī)，在諸多鍛造產(chǎn)品中，SKD11為代表的冷作模具鋼的中心缺陷時(shí)常發(fā)生。分析原因考慮到主要是由于鋼錠凝固收縮時(shí)引起的中心疏松，在鍛造加工時(shí)加工比不足，在鋼錠中心部分形成的成分偏析在液相態(tài)下鍛造加工時(shí)產(chǎn)生過(guò)熱形成，特別是冷作模具鋼SKD11加工難度大，加工溫度范圍窄，屬于易產(chǎn)生微觀(guān)組織缺陷的鋼種。

究其原因，一方面，關(guān)于未焊合的問(wèn)題，多方實(shí)驗(yàn)室取樣分組實(shí)驗(yàn)，又分組進(jìn)行了CAE方法解析[1]，筆者借鑒以前提到的關(guān)于空隙加工參數(shù)Gm+、良好的空隙焊合的可能性評(píng)價(jià)的相關(guān)資料，再通過(guò)相關(guān)過(guò)熱、變形-溫度聯(lián)合解析、鋼材溫度的精確預(yù)測(cè)的可行性分析等研究成果，作以精確分析研究。以上作為研究背景，運(yùn)用CEA解析，對(duì)于在鍛造過(guò)程中發(fā)生的中心缺陷進(jìn)行系統(tǒng)、深入、細(xì)致的解析。

本文著重討論工具鋼SKD11熱鍛過(guò)程，對(duì)鋼錠的加熱過(guò)程及自由鍛造的CEA定量解析，對(duì)心部未焊合及過(guò)熱產(chǎn)生的真正原因進(jìn)行分析。同時(shí)，根據(jù)加熱過(guò)程及自由鍛造過(guò)程的工藝改進(jìn)進(jìn)行效果檢驗(yàn)，提出有效地降低高合工中心缺陷行之有效的方法。

2 關(guān)于鍛造制品的缺陷

2.1 制造過(guò)程

SKD11鍛件的制造過(guò)程如圖1所示。鋼錠經(jīng)步進(jìn)式加熱爐加熱后，進(jìn)行自由鍛造。之后反復(fù)進(jìn)行再加熱、鍛造，多火加工后，鍛制成圓鋼。

圖1 工具鋼SKD11制造過(guò)程示意圖

2.2 未焊合與過(guò)熱縮孔

SKD11產(chǎn)生中心缺陷的主要原因分析從未焊合和過(guò)熱縮孔兩個(gè)方面進(jìn)行分析。對(duì)此的措施：未焊合的情況下使用心部應(yīng)力滲透和變形增加的方法。例如：加熱溫度的升高和每道次的加工量之間的關(guān)系。一方面關(guān)于過(guò)熱縮孔的產(chǎn)生，采取盡量使中心溫度降低的方法，例如加熱溫度每降低1℃與每道次等效加工量間的關(guān)系。另一方面SKD11鋼與其他鋼種比有效加工溫度非常窄，難以準(zhǔn)確控制。所以精確控制加工溫度，采取適宜的鍛造加工方式至關(guān)重要。

微觀(guān)組織四周是否存在偏析帶、缺陷的大小及形狀等歷來(lái)被人們認(rèn)為分析缺陷產(chǎn)生的主要切入點(diǎn)。顯微組織如圖2所示，圖2a為中心缺陷周?chē)鸁o(wú)偏析帶，中心缺陷較大，未焊合，圖2b為偏析內(nèi)部存在的中心缺陷，形態(tài)細(xì)長(zhǎng)，典型的過(guò)熱縮孔，圖2c為偏析內(nèi)部的比較大的缺陷，屬于綜合性缺陷，需進(jìn)一步分析，不能簡(jiǎn)單判斷。

圖2 中心缺陷顯微組織

運(yùn)用CAE解析方法進(jìn)行了詳細(xì)的討論，過(guò)熱縮孔的主要原因有加熱溫度、空隙焊合的程度。通過(guò)數(shù)理解析等定量討論，找出主要原因。

3 試驗(yàn)及解析

3.1 CAE解析條件

以產(chǎn)生中心缺陷的SKD11鋼為例，對(duì)鋼錠的加熱溫度、鍛造過(guò)程進(jìn)行CAE解析，鋼錠加熱過(guò)程的CAE解析條件如表1所示。加熱溫度是加熱爐的設(shè)定溫度（Tsv），從入爐到出爐的鋼錠中心溫度和表面溫度的推定用MSC、MAR設(shè)定。對(duì)鋼塊的橫截?cái)嗝孢M(jìn)行二元解析。經(jīng)鍛造加工后的鋼材，熱送入加熱爐，均溫透燒后出爐空冷，鋼塊表面和內(nèi)部溫度分布符合試驗(yàn)要求，加熱爐裝爐前，用溫度計(jì)測(cè)定表面溫度作為加熱開(kāi)始溫度，如表1所示。

表1 工具鋼SKD11加熱計(jì)算條件

經(jīng)過(guò)多火次鍛造。在這里，加熱-鍛造一個(gè)循環(huán)稱(chēng)為一火。此次鍛造鋼塊從寬500×高500mm（以下稱(chēng)500方）共經(jīng)3火次鍛造成材。本次鍛造加工按表2中CAE解析條件，鋼錠（坯）的初期溫度、加熱爐設(shè)定溫度一定，推斷鋼錠（坯）的中心溫度，對(duì)變形-溫度進(jìn)行聯(lián)合解析。一火鍛造加工致中間坯設(shè)定尺寸，經(jīng)加熱二火鍛造加工，再經(jīng)加熱三火鍛造加工至500方成品。從第一火次的加熱開(kāi)始，對(duì)每火進(jìn)行數(shù)理解析。

3.2 未焊合與過(guò)熱縮孔的評(píng)價(jià)方法與界限值

為了找出中心缺陷的主要原因，有必要闡明未焊合與過(guò)熱縮孔的各種評(píng)價(jià)方法及界限值。

關(guān)于未焊合的評(píng)價(jià)方法，相關(guān)文獻(xiàn)[4]對(duì)空隙焊合用解析式Gm＋表示。Gm＋的表達(dá)式如下：

式中σm——靜水壓應(yīng)力

σeq——相當(dāng)應(yīng)力

ε——相當(dāng)變形量

連續(xù)鍛造加工過(guò)程Gm＋值用各個(gè)道次的累計(jì)值。在這里，由鋼錠鍛造加工至500方，鋼材心部的Gm＋累計(jì)計(jì)算值。

相關(guān)文獻(xiàn)[4]的解析試驗(yàn)及鍛造加工試驗(yàn)結(jié)果表明，空隙焊合極限值為0.25。

一方面，作為過(guò)熱縮孔的評(píng)價(jià)方法，對(duì)鋼錠（坯）從加熱到鍛造結(jié)束的溫度進(jìn)行解析，對(duì)鋼錠（坯）中心最高溫度進(jìn)行解析。鋼種的不同過(guò)熱溫度極限值具有較大差異，對(duì)熱加工過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行充分的積累，以避免加工裂紋的產(chǎn)生。如圖3所示，SKD11鋼鍛造加工過(guò)程中中心缺陷發(fā)生，在心部及邊部進(jìn)行取片分析，加工成φ8×L12mm的試樣，加工過(guò)程如表3所示。加工溫度分別取加熱爐設(shè)定溫度+25℃、+50℃、+75℃的3種加熱制度。選擇盡可能低的加工速率，壓下率為72%的條件下，對(duì)過(guò)熱縮孔發(fā)生情況進(jìn)行數(shù)理解析。

圖3 試驗(yàn)取樣示意圖

表3 SKD11鍛造的實(shí)驗(yàn)條件

4 試驗(yàn)及解析結(jié)果

4.1 未焊合的解析結(jié)果

如圖4所示，SKD11鋼由500方鍛造各個(gè)火次空隙焊合的解析分布情況。Gm＋表示長(zhǎng)度方向的解析值分布，一火次的∑Gm＋在0.22～0.91，二火次∑Gm＋在0.05～0.17，三火次∑Gm＋在0.24～0.47。推斷全過(guò)程∑Gm＋合計(jì)值在0.65～1.54。如3.2節(jié)所述，空隙焊合極限值為0.25，鍛造全程累加值高于0.25，經(jīng)3火次鍛造加工成成品后，鋼錠凝固過(guò)程造成的中心缺陷可以完全焊合，可以得出結(jié)論：SKD11鍛造中心缺陷并非由于未焊合而引起的。

圖4 各個(gè)鍛造火次靜水壓應(yīng)力積分轉(zhuǎn)換，∑Gm＋.（錠→500mm方）

4.2 加工方式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4所示是不同加熱參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。試料分別在加熱爐設(shè)定溫度+25℃、+50℃、+75℃條件下進(jìn)行加熱，從心部切取試片，觀(guān)察加熱溫度與心部缺陷的關(guān)系。忽略變形速率產(chǎn)生的心部升溫，表面溫度低于心部溫度，從心部切取的試片，C等元素濃度偏高，導(dǎo)致固相線(xiàn)溫度降低。可以推斷，SKD11鋼的心部過(guò)熱溫度發(fā)生在加熱爐溫度設(shè)定溫度+25℃。

表4 鍛造試驗(yàn)結(jié)果

4.3 加熱條件及加工過(guò)程升溫的推斷

4.3.1 鋼錠加熱過(guò)程的溫度解析結(jié)果

圖5所示鋼錠在加熱過(guò)程中內(nèi)部溫度解析結(jié)果。隨著加熱溫度的升高，約10h后爐內(nèi)達(dá)到加熱爐設(shè)定溫度-5℃。而溫度一旦降低，心部溫度的下降較表面溫度下降延遲3h開(kāi)始，鋼錠在加熱爐內(nèi)經(jīng)歷大約10h后，錠心部溫度仍低于加熱爐設(shè)定溫度15℃，從加熱爐調(diào)取數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間加熱后，料溫仍低于加熱爐溫4℃。所以，在鍛造加工前，料溫與爐溫存在4℃的溫差。

圖5 SKD11鋼錠加熱溫度示意圖

4.3.2 鋼錠鍛造過(guò)程的升溫測(cè)定

鍛造過(guò)程中實(shí)測(cè)溫度與理論解析結(jié)果如圖6所示。數(shù)理解析結(jié)果和表實(shí)測(cè)面溫度基本保持一致。運(yùn)用CAE解析各火次鍛造結(jié)束后溫度分布如表5所示。在這里，溫度分布與加工方式和解析推斷的過(guò)熱溫度略有差異。CAE解析結(jié)果表明心部溫度：一火過(guò)熱溫度+10℃，二火過(guò)熱溫度-21℃，三火過(guò)熱溫度-16℃。一火過(guò)熱溫度高是由于鋼錠截面大，鍛造時(shí)力度較大，產(chǎn)生較大的變形熱效應(yīng)。鍛造加工前，鋼錠心部溫度低于爐溫4℃，鍛造后心部過(guò)熱溫度+6℃，從加工方式試驗(yàn)推斷已超過(guò)心部過(guò)熱溫度。

圖6 鍛造過(guò)程中理論和測(cè)量的表面溫度比較

表5 鍛造過(guò)程中SKD11鋼的溫度分布（1/4處）

由以上可以得出結(jié)論，SKD11的心部缺陷并非由于加工比不足，未焊合造成的，心部缺陷是過(guò)熱縮孔引起的，而且是在第一火鍛造時(shí)產(chǎn)生的過(guò)熱縮孔。

5 中心缺陷的防止與實(shí)際應(yīng)用

5.1 加熱時(shí)間與中心溫度的關(guān)系

如前所述，心部缺陷主要是過(guò)熱縮孔，以下對(duì)防止過(guò)熱縮孔的方法進(jìn)行詳細(xì)討論，防止過(guò)熱縮孔首先要使鍛造后的鍛件心部溫度降低，加熱后溫度降低，最大限度的降低變形產(chǎn)生的熱量。

加熱后降低心部溫度的方法，可以考慮降低加熱溫度，縮短加熱時(shí)間，降低加熱溫度給SKD11鍛造加工帶來(lái)的主要問(wèn)題之一就是表面質(zhì)量惡化。以下討論加熱時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)表面和心部質(zhì)量的影響。

在加熱溫度一定的條件下，如圖5所示加熱時(shí)間分別縮短至12h、10h、8h的3種情況下進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果如表6所示。表面缺陷發(fā)生對(duì)應(yīng)C工藝，心部缺陷的發(fā)生對(duì)應(yīng)采取12h加熱制度的A工藝。以上分析結(jié)果可以得出結(jié)論，為了防止表面缺陷和心部缺陷最適合的加熱時(shí)間為B，既在設(shè)定溫度下加熱10h。

表6 加熱試驗(yàn)條件及結(jié)果

5.2 鍛造鐵砧子的影響

作為鍛造加工時(shí)減少發(fā)熱量的方法，加工速度減少，道次變形量減少，在這里，相對(duì)來(lái)講窄砧子每火次的加工量小，窄砧子可以使內(nèi)部變形量減少，應(yīng)力降低，從而抑制發(fā)熱量，前期的解析結(jié)果表明過(guò)熱縮孔主要是在第一火鍛造時(shí)產(chǎn)生的，試驗(yàn)用的砧子寬度是傳統(tǒng)砧子寬度的2/3，解析結(jié)果如表7所示。推薦使用窄砧子，鍛造后心部溫度由產(chǎn)生過(guò)熱縮孔的最大溫度+10℃，降低為產(chǎn)生過(guò)熱縮孔的最大溫度-6℃，可以抑制16℃的發(fā)熱量。使用窄砧子對(duì)空隙的焊合的影響，其影響作用已深入解析，使用窄砧子鍛造對(duì)空隙焊合的解析如圖7所示?？梢钥闯觯艷m＋的值達(dá)到0.27～0.40才能保證長(zhǎng)度方向的全部焊合，要高于寬砧子∑Gm＋值的0.25。所以鍛造砧子的寬度減少難以成為一個(gè)有效的心部缺陷防止的好方法。

表7 窄砧鍛造對(duì)溫度分布的影響（1/4處）（鍛造過(guò)程：第一火）

圖7 各個(gè)鍛造火次靜水壓應(yīng)力積分轉(zhuǎn)換，ΣGm＋,窄砧（鍛造過(guò)程：錠→500mm方）

5.3 試驗(yàn)結(jié)果

解析以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，進(jìn)行了縮短加熱時(shí)間及鍛造砧子實(shí)驗(yàn)。其結(jié)果如圖8所示。縱軸表示中心缺陷發(fā)生率，改善前中心缺陷發(fā)生率設(shè)定為1的話(huà)，改善后中心缺陷的發(fā)生率僅僅為0.1，是改善前的十分之一，中心缺陷的發(fā)生率有很大幅度的下降。

圖8 鍛造中心缺陷分布情況（1/4處）

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）SKD11鍛件的中心缺陷成因，運(yùn)用CAE進(jìn)行解析結(jié)果表明：未焊合的可能性極低，推斷是由于過(guò)熱縮孔的原因造成。

（2）防止產(chǎn)生過(guò)熱縮孔產(chǎn)生的有效方法：縮短加熱時(shí)間，窄砧鍛造。結(jié)果表明，中心缺陷的發(fā)生率大幅度降低。