陳杰 李其 賈旭征 謝軍

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川 德陽 618000)

大型鍛件是重大裝備及大型工程建設(shè)的基礎(chǔ)零部件，廣泛用于冶金、航天航空、船舶、石油化工等行業(yè)。大型鍛件對質(zhì)量要求高，一般都有非常嚴(yán)格的超聲檢測要求。因此，為了提高大鍛件的內(nèi)部質(zhì)量，許多學(xué)者作了大量的研究。然而，多數(shù)學(xué)者主要著力于研究冶煉過程中鋼液的純凈度和鍛造過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布，很少有學(xué)者研究鍛造過程中的高溫?cái)U(kuò)散對大鍛件的內(nèi)部質(zhì)量影響。本文著重研究了高溫?cái)U(kuò)散對大型鍛件超聲檢測缺陷的影響，希望對大鍛件的制造有一些啟發(fā)。

1 高溫?cái)U(kuò)散工藝

鋼錠在凝固過程中受“溫度過冷”和“成分過冷”的影響，均存在一定程度的偏析，鋼錠越大偏析越嚴(yán)重。偏析又分為宏觀偏析和微觀偏析，宏觀偏析是指鋼錠沿軸向和徑向化學(xué)成分分布不均勻的現(xiàn)象，從圖1鋼錠內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖可知[1]，宏觀偏析主要有正偏析、負(fù)偏析、V型偏析、A偏析等。

圖1 鋼錠內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of internal structure of steel ingot

微觀偏析是指晶?；蚓Ы绶秶鷥?nèi)的成分不均勻分布的現(xiàn)象，微觀偏析又稱為“枝晶偏析”[2]。枝晶偏析是由于鋼液在凝固過程中枝晶生成時，不斷地向液相中排出溶質(zhì)，從而富集于枝晶之間而形成的[3-4]。枝晶偏析造成的組織、化學(xué)成分的不均勻分布，不但會降低材料的熱加工性能，而且會降低產(chǎn)品的力學(xué)性能和質(zhì)量，影響產(chǎn)品的使用壽命。高溫?cái)U(kuò)散工藝是指將鋼錠或坯料在高溫下長時間加熱保溫，以減輕或消除化學(xué)成分分布不均勻現(xiàn)象，其實(shí)質(zhì)是一個均勻化處理過程，實(shí)踐證明，高溫?cái)U(kuò)散可有效減輕枝晶偏析。在實(shí)際生產(chǎn)中，有的企業(yè)將高溫?cái)U(kuò)散工序設(shè)計(jì)在鋼錠狀態(tài)中，有的企業(yè)將高溫?cái)U(kuò)散工序設(shè)計(jì)在鍛造過程的各個火次中。鋼錠狀態(tài)屬于粗大的鑄態(tài)組織，結(jié)構(gòu)不太緊密，固溶體內(nèi)部出現(xiàn)了間斷，擴(kuò)散效果最差；但對于裂紋敏感性強(qiáng)、可鍛性較差的材料，在鋼錠狀態(tài)中的高溫?cái)U(kuò)散可提升材料的可鍛性能。

針對相同材料來說，影響高溫?cái)U(kuò)散效果最主要的工藝參數(shù)為加熱溫度和保溫時間，由于在加熱過程中鋼錠或坯料的表層與心部始終存在溫度梯度，因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中，將坯料的截面也作為一個影響高溫?cái)U(kuò)散效果的因素。根據(jù)金屬學(xué)擴(kuò)散理論和傳熱學(xué)原理，30Cr1Mo1V材料在奧氏體溫度范圍內(nèi)，每小時擴(kuò)散參數(shù)按式(1)計(jì)算：

k=1.8032×1014exp(-28985.5/T)/d2

(1)

式中，k是每小時擴(kuò)散參數(shù)(h-1)；T是擴(kuò)散溫度(K)；d是坯料直徑(mm)。

各火次的累計(jì)總擴(kuò)散參數(shù)按式(2)計(jì)算：

K=∑kiti

(2)

式中，ki為第i火次時間的擴(kuò)散參數(shù)；ti為第i火次的時長。

應(yīng)用式(1)，設(shè)溫度為1250℃，得到擴(kuò)散參數(shù)k：

k=1.8032×1014exp[-28985.5/(1250+273)]/d2

(3)

式(3)除以式(1)，得到比值n，即任意溫度下需要多少倍的時間，才能達(dá)到1250℃單位時間的相同擴(kuò)散效果，計(jì)算式為：

n=exp(28985.5/T-19.0322)

(4)

應(yīng)用式(4)，計(jì)算不同溫度下達(dá)到1250℃單位時間內(nèi)相同擴(kuò)散效果的時間倍數(shù)如表1所示。

表1 不同溫度下相對1250℃等效擴(kuò)散的時間倍數(shù)nTable 1 The time multiple n of the equivalent diffusion relative to 1250 ℃ at different temperatures

從表1可以看出，在直徑不變的條件下，溫度越低，擴(kuò)散效果越差。擴(kuò)散溫度1100℃要達(dá)到1250℃時的相同擴(kuò)散效果，則保溫時間須增加到1250℃的8倍。因此，在鍛造生產(chǎn)過程中，一般考察1100℃及以上加熱溫度累計(jì)總擴(kuò)散參數(shù)才有實(shí)際參考意義。各火次的擴(kuò)散參數(shù)分別用k1、k2、k3…表示，總擴(kuò)散參數(shù)累計(jì)相加，用∑k表示。應(yīng)用式(1)和式(2)計(jì)算出各火次的擴(kuò)散參數(shù)和總擴(kuò)散參數(shù)?？倲U(kuò)散參數(shù)的大小可用于考量大型鍛件鍛造過程的擴(kuò)散效果。

2 高溫?cái)U(kuò)散修復(fù)缺陷機(jī)理探討

良好的超聲波穿透性和材料均質(zhì)性是高質(zhì)量大鍛件的重要標(biāo)志之一，這要求鍛件內(nèi)部致密，化學(xué)成分均勻。鋼錠內(nèi)部不可避免地存在著空洞性缺陷和夾雜性缺陷[1]。長期以來，眾多的研究多集中于通過控制冶煉和鍛造過程來消除鋼錠的冶金缺陷，并在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。但對大型鑄鍛件高溫?cái)U(kuò)散過程對缺陷的影響卻鮮有報(bào)道，本文依據(jù)少量的參考文獻(xiàn)、理論分析和實(shí)際生產(chǎn)總結(jié)，簡要闡述了高溫?cái)U(kuò)散對無夾雜物的空洞性缺陷與夾雜性缺陷的修復(fù)機(jī)理。

2.1 空洞性缺陷的閉合與修復(fù)

在鍛造的高溫變形過程中，通過砧寬比、變形量、變形速率等參數(shù)的合理搭配，可使空洞性缺陷閉合。文獻(xiàn)[5]認(rèn)為影響空洞閉合的主要因素為坯料的高徑比、空洞形狀和邊界摩擦條件，而變形溫度、速度和空洞尺寸對閉合影響甚微。實(shí)際生產(chǎn)中，鋼錠中空洞性缺陷是凝固過程中自然形成的，其形狀不規(guī)則。通過鍛造閉合缺陷時，其趨于向規(guī)則形狀發(fā)展，因此分析空洞性缺陷的鍛合過程可以先將缺陷設(shè)想為球形，缺陷首先被壓成橢球形，隨后橢球長軸端部兩側(cè)的金屬開始貼合，貼合區(qū)域由邊緣向心部擴(kuò)展，直到完全閉合，最后形成微小的裂縫AB，如圖2所示。閉合前的空洞附近存在著強(qiáng)烈的應(yīng)力集中，徑向應(yīng)力σr和周向應(yīng)力σθ在橢球端點(diǎn)的鄰近區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力，σx為壓應(yīng)力，如圖3所示。隨著變形的增大，拉應(yīng)力數(shù)值由小到大變化，并在空洞閉合時達(dá)到最大值，空洞閉合后拉應(yīng)力會保留下來[6]。

圖2 空洞性缺陷閉合過程示意圖Figure 2 Schematic diagram of cavity defect closure process

圖3 橢球上的應(yīng)力狀態(tài)Figure 3 Stress state on ellipsoid

空洞性缺陷閉合后形成微小裂縫，如果此時溫度足夠高，還有足夠的變形，這些微裂紋就有可能被焊合，形成一個致密的整體。如果此時溫度較低，雖然還有較大的變形，這些微觀裂紋在不可避免的拉應(yīng)力作用下就有可能擴(kuò)展。如果這些微裂紋保留在鍛件內(nèi)部，在后續(xù)的熱處理或服役過程中也有可能擴(kuò)展，甚至比球形缺陷的危害更大。

空洞附近的等效應(yīng)變和應(yīng)變分量主要受壓力和空洞形狀影響，而與溫度和變形速度的關(guān)系不大，但坯料溫度對再結(jié)晶過程的影響是巨大的，再結(jié)晶是重新形核和晶粒長大的過程，能夠消除材料內(nèi)部因變形而積蓄的應(yīng)力。工業(yè)中使用的絕大多數(shù)以鐵為基體的材料，當(dāng)初始變形溫度為1200℃以上時，變形結(jié)束后的動態(tài)再結(jié)晶在很短時間內(nèi)就會完成，等高溫變形結(jié)束后，隨即會發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶。再結(jié)晶過程可以使微觀組織發(fā)生重組，修復(fù)因大變形引起的空洞周圍材料的組織缺陷，但不能修復(fù)空洞閉合后形成的微裂紋，微裂紋的修復(fù)主要靠原子擴(kuò)散與躍遷。在高溫下原子擴(kuò)散強(qiáng)烈，已閉合的空洞缺陷形成的微裂紋表面彼此接觸在一起，兩界面以及鄰近的原子因擴(kuò)散而相互滲透，最后達(dá)到金屬鍵的結(jié)合，形成一個連續(xù)的整體，使空洞缺陷閉合時形成的拉應(yīng)力也隨之消失，從而實(shí)現(xiàn)空洞性缺陷的修復(fù)。由于原子擴(kuò)散需要足夠長的時間，因此，鍛造過程使空洞閉合后，仍需一定的保溫時間，才能達(dá)到修復(fù)缺陷的目的[7]。

在實(shí)際生產(chǎn)中，已鍛造成形產(chǎn)品經(jīng)超聲檢測發(fā)現(xiàn)存在細(xì)小裂紋，可以通過高溫?cái)U(kuò)散附加微量變形的鍛造工藝達(dá)到修復(fù)缺陷的目的。修復(fù)的關(guān)鍵工藝參數(shù)為：溫度必須高于再結(jié)晶溫度，足夠長的保溫時間和缺陷部位的應(yīng)力狀態(tài)[8]。這在實(shí)際生產(chǎn)過程中已得到多次應(yīng)用與驗(yàn)證。

2.2 夾雜性缺陷的改善與修復(fù)

鋼錠內(nèi)部的夾雜物破壞了金屬基體的連續(xù)性，這些分散于基體內(nèi)的夾雜物與基體的變形能力不同，鍛造過程中夾雜物與金屬基體變形不協(xié)調(diào)，必然對夾雜物與基體的結(jié)合產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致在夾雜物周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中[9]。由于夾雜物的分隔和阻礙，其周圍的金屬無法接觸，因而夾雜性的冶金缺陷是無法通過鍛造加以修復(fù)的。大變形和多次反復(fù)變形有可能使一個夾雜物斷裂成多個更小的夾雜物，使其彌散分布，但應(yīng)力集中又可能使夾雜物邊緣萌生新的裂紋。沒有夾雜物阻隔的新裂紋在鍛造應(yīng)力作用下閉合后，通過再結(jié)晶和原子躍遷方法得以修復(fù)。夾雜物周圍萌生新裂紋的修復(fù)機(jī)制，與空洞性裂紋是相同的，而夾雜物本身導(dǎo)致裂紋的改善機(jī)制是完全不同的。在軸類件的實(shí)際生產(chǎn)中，一般主變形火次都有較大的拔長比，變形較大，使材料中微米級的夾雜物斷裂成多個更小的夾雜物，且大多數(shù)都有后續(xù)成形火次，使夾雜物的彌散化和萌生新裂紋的修復(fù)可能性較大，所以超聲檢測的合格率較高，而對于毫米級的大尺寸夾雜物，通過正常的鍛造過程很難打碎彌散，往往會使其沿鍛造的主變形方向成斷續(xù)狀線性分布，超聲檢測結(jié)果為連續(xù)性缺陷，表2為缺陷產(chǎn)品經(jīng)鍛造返修后的缺陷變化情況。

表2 缺陷產(chǎn)品經(jīng)鍛造返修后的缺陷變化情況Table 2 Defect changes of defective products after forging for repairing

大量實(shí)踐證明，鍛件成品中檢測出的大尺寸夾雜缺陷經(jīng)再次鍛造后很難被改變，單個類缺陷經(jīng)再次鍛造后有時會變成沿鍛造方向帶長度的連續(xù)缺陷。對于餅類件的生產(chǎn)，鐓粗變形不可避免，且沿高度方向的變形極大，使夾雜物被壓成片狀，數(shù)個鄰近的夾雜物可能堆積成一個較大的夾雜物，同時由于形狀簡單，一般沒有后續(xù)火次來修復(fù)萌生的新裂紋，這也是餅類件超聲檢測廢品率比軸類件高的原因之一。

3 結(jié)論

(1)高溫?cái)U(kuò)散可有效減輕或消除枝晶偏析，能改善材料的熱加工性能。

(2)鍛造壓力作用下的變形只能使大鋼錠的空洞性缺陷閉合，不能完全消除，空洞性缺陷在變形作用下閉合時會形成微裂紋，微裂紋的修復(fù)有賴于高溫?cái)U(kuò)散。高溫?cái)U(kuò)散修復(fù)缺陷主要跟加熱溫度及缺陷部位的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，加熱溫度必須高于再結(jié)晶溫度并保持一定時間。

(3)鍛造變形時由于鋼錠中夾雜物分隔和阻礙的作用，其周圍的金屬無法接觸，因而裂紋就無法閉合。但大變形可以使一個夾雜物斷裂成多個更小的夾雜物，使其彌散分布，而且應(yīng)力集中又可能使夾雜性裂紋擴(kuò)大而萌生新裂紋。高溫?cái)U(kuò)散可以修復(fù)因夾雜引起的新裂紋，但鋼錠中的夾雜性缺陷通過鍛造只能被改善，不可能被消除。