大型锻件组织与性能的影响因素及其控制技术_黄倩

Hot Working Technology 2015,Vol.44,No.13大型锻件组织与性能的影响因素及其控制技术黄倩1，温彤1，刘清1，张鹏2(1.重庆大学材料科学与工程学院，重庆400044；2.中国第二重型机械集团公司，四川德阳618000)摘要：内部组织性能是决定大锻件产品质量的重要因素。

介绍了冶炼、铸造、热塑性成形和热处理工艺对大型锻件组织均匀性的影响，概述了大型锻件组织均匀性研究的重点内容，探讨了大型锻件内部组织性能分析与控制的关键技术。

关键词：锻件；组织；均匀性；控制DOI:10.14158/ki.1001-3814.2015.13.002中图分类号：TG316文献标识码：A文章编号：1001-3814(2015)13-0006-03Affecting Factors and Control Technology of Microstructure andProperties of Large ForgingsHUANG Qian 1,WEN Tong 1,LIU Qing 1,ZHANG Peng 2(1.School of Materials Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China;2.China National Erzhong Group Co.,Deyang 618000,China)Abstract ：Internal microstructure and performance are important factors to determine the quality of large forgings.The influences of smelting,casting,thermal plastic forming and heat treatment process on microstructure uniformity were introduced.The key contents of studying microstructure uniformity of large forgings were summarized.The key control technology and analysis of internal microstructure and performance of large forgings were discussed.Key words ：forgings;microstructure;uniformity;control收稿日期:2014-07-20基金项目:国家重大科技专项项目(2012ZX04010-081)作者简介:黄倩(1990-),女,重庆人,硕士,主要研究方向:金属塑性成形;电话:1521511786;E-mail:742566018@大型锻件作为船舶、水电、核电、火电、冶金等领域大型装备的关键部件，在经济建设、国防和现代高科技重大装备制造中发挥重要作用。

近年来，我国大锻件制造发展迅速，许多领域已稳居世界第一。

据不完全统计，迄今我国拥有约140台自由锻液压机，其中120MN 有3台[1]，二重集团公司已建成世界最大的800MN 液压机1台。

目前，国内可浇铸的最大钢锭重量超过600t ，可生产重260～320t 大型锻件[1]。

由于大锻件通常用于大型设备的核心部位，工况特殊、受力复杂，对选材和成形工艺质量要求很高。

其中，大型锻件的组织均匀性是决定零件质量的重要因素。

从广义来讲，锻件的组织均匀性涉及锻件内部化学成分、相组成与力学性能等方面。

而大锻件的冶炼、铸锭、制坯、预锻、终锻、热处理等各个生产环节，都会对组织均匀性产生重大影响。

但目前相关的研究主要集中在塑性成形阶段。

为此，本文在对大锻件组织均匀性的内涵进行梳理的基础上，从冶金、塑性成形到热处理的各个工艺环节探讨影响大型锻件组织均匀性的主要因素，分析了大型锻件组织均匀性与关键控制技术。

1冶炼与铸锭过程对大锻件组织均匀性的影响保证钢液化学成分符合冶炼要求是大型锻件用钢锭冶炼的主要内容，需尽量减少磷、硫、非金属夹杂物及气体的含量。

锻件的铸锭一般为镇静钢锭，钢锭内部缺陷主要有夹杂物、气孔、偏析、缩孔和疏松等，且各种缺陷的分布位置不同。

这些缺陷的形成与金属的冶炼、浇注和结晶密切相关，且不可避免。

随着铸锭尺寸的增大，铸锭内部化学成分、组织和夹杂物分布不均匀情况愈为严重，成为大型锻件报废的主要原因。

因此在铸锭冶炼过程应根据不同冶炼过程采取相应的控制技术，以减少产品报废。

以二重公司生产的600MW 核电稳压器为例[2]，对所使用的16MND5(A508-3)核电钢的纯净度、性能指标、探伤检验等要求极其苛刻。

目前国内外超纯净钢的生产，多采用各种先进的炉外真空精炼、真空浇注技术。

为了得到高质量的粗炼钢水，采用电炉或碱性平炉进行冶炼，将钢水倒入钢包精炼炉中进行高真●综述●6《热加工工艺》2015年7月第44卷第13期空精炼，再使用真空吹氩浇注[2]。

此方法提高了成品钢水的冶炼质量和浇注质量，有效地指导大量核电用钢的实际生产。

为了保证钢锭成分均匀性、锻造棒坯的组织均匀性及性能的要求，应在冶炼时尽量地除去钢液中的气体与杂质。

吴贵林[3]等采用6t真空感应炉和7t 真空白耗炉，冶炼得到直径为660mm、重量达6000kg 真空自耗锭，用来生产直径为1200mm、重量达1300kg的GH4698合金涡轮盘，满足了大锻件用铸锭的质量、性能要求。

数值模拟在铸造充型流动、凝固及温度场和残余应力的研究中取得了很大进展，且成功地应用到大型铸件凝固的模拟中，用以分析工艺优化及质量控制。

数值模拟可分析铸造充型过程的熔体流动、填充、排气和温度变化，且可有效地预测隐藏于铸件内部的缩孔缩松的位置。

因此，可根据预测缺陷位置制定相应解决工艺方案，有效消除铸件缺陷。

2热成形对大锻件组织均匀性的影响形状与尺寸是锻造工艺设计需要考虑的首要问题。

锻件微观组织均匀、细致，综合力学性能就会更佳。

因此，从本质上讲，塑性成形过程包括了“改形”与“改性”两个方面，而后者对于大型锻件尤为重要。

大锻件热锻的“改性”为后续热处理奠定良好的微观组织基础，可使后续热处理发挥作用。

对某些特殊材料的锻件，后续热处理不能有效地改变其微观组织，因此锻造工艺就是决定锻件最终组织和性能的关键因素。

为了将大锻件铸坯的铸态组织转变为变形组织，满足力学性能的要求，通常都要有一定程度的塑性变形量(锻比)。

在锻合锻件内部孔穴、疏松，提高锻件切向性能，减小锻件性能的各向异性，采用型砧拔长比镦粗更为有效。

生产实践中，为了通过热塑性成形实现大锻件组织性能的改善，必须有效控制塑性变形过程中各个区域的应力、应变。

针对不同阶段的要求，开发了WHF(宽砧大压下量锻造法)、JTS(中心压实法)、FM法(不对称平砧锻造法)、FMV(不对称V型砧锻造法)、FML(低锻压力锻造法)、CKD(用于锻造管板的工艺)、平砧锻造八面坯法、极限锻造法等各种自由锻工艺。

为了研究热塑性成形过程对锻件内部裂纹及组织的影响，刘丽娟[4]等对30Cr2Ni4MoV低压转子钢内部的裂缝进行了高温塑性变形焊合试验。

当变形量、保温时间及温度满足一定条件时，锻件裂缝可以通过扩散及再结晶等机制进行焊合。

大锻件材料在锻造的热塑性成形过程中，受高温和变形的同时作用，坯料形状发生改变、内部微观组织也经历着应变硬化、动态回复和再结晶等演化。

因此，大锻件热塑性成形过程中的组织性能变化是一个重要问题，但目前实践中还较少主动考虑微观组织(例如晶粒度)的控制问题。

实际生产中，锻件可能会出现组织不均匀、粗晶、混晶等缺陷，使组织性能不合格。

特别是涡轮盘、起落架等典型航空锻件多火次锻造或坯料设计不合理时，就容易出现这类问题。

目前已有很多相关研究[5-7]。

细小均匀的晶粒会直接影响锻件力学性能。

为了获得变形力小和晶粒细小的锻件，可以采取相应的措施优化预成形形状。

数值模拟技术已经在分析体积成形过程的塑性变形方面(即“锻件改形”)取得了很大的成功。

近年来，在塑性成形过程模拟中，考虑材料微观组织的演变成为塑性成形模拟技术的重要发展内容。

为了得到理想的模拟结果，建立合理的热成形过程微观组织演变的数学模型是一个关键。

概括起来，现有数学模型主要包括4个方面[8]：静态再结晶模型；动态再结晶模型；亚动态再结晶模型；晶粒长大模型。

模型公式一般都是以Avirami方程为基础，且同一参量所涉及的变形工艺参数大致上相同，回归系数之间有一定差异[8]。

例如动态再结晶常用的Sellar、Yada、Kopp等模型，采用Avirami形式的动力学方程来描述动态再结晶程度，给出再结晶尺寸和体积百分数。

元胞自动机(cellularautomata，简称CA)法可模拟晶粒长大过程，计算机模拟结果表明元胞自动机法反映的拓扑特征、晶界迁移规律符合晶粒长大的机制，是一种简单、有效的晶粒长大模拟方法[9]。

3热处理对大锻件组织均匀性的影响大型锻件的热处理主要目的包括消除应力、调整硬度、预防白点，以及提高化学成分均匀性，调整与细化锻件组织。

通常对钢锭采取均匀化退火(或称扩散退火)以消除经冶金处理后钢锭内部组织不均匀和偏析等缺陷。

根据相关试验，对R521冶金组织不理想的钢锭在始锻温度下增加锻造加热温度、延长锻件保温时间进行均匀化退火[10]，这种方法不仅可以获得均匀化退火的效果，且可弥补增加中间热处理工序使生产成本增加的不足。

有些锻件在最终热处理后还需进行机加工，这时最终热处理就成为了保证机加工锻件性能的关键环节。

王珉、刘慧琳[11]介绍了16MND5稳压器锻件制造过程中热处理和机械加工两个关键工艺。

采用预备热处理及性能热7Hot Working Technology2015,Vol.44,No.13处理两种热处理工艺，对锻件不同部位采取不同热处理工艺，使锻件的力学性能满足其技术要求。

4大型锻件组织均匀性研究的重点内容4.1大型锻件组织均匀性的表征与分析大型锻件组织的均匀性涉及锻件内部的化学成分、相组成与力学性能等多个方面，需要采用适当方式对各种性质的组织均匀性问题进行定量的表征，才能满足理论与试验分析的要求。

如利用现代电子显微观测分析等手段对大锻件组织进行系统研究，建立化学成分分布、晶粒度与相组织、力学性能(各向异性)等的理论表征模型。

建立大锻件组织均匀性的表征与分析手段。

4.2大型锻件组织均匀性的影响因素大型锻件内部组织的均匀性取决于冶炼、制坯、锻造成形以及后续热处理等各个工艺环节，影响因素众多，也极其复杂。

因此，需要从大型锻件的铸锭、制坯、锻造到热处理的生产全过程进行系统分析，弄清楚影响大锻件内部组织均匀性的各种因素及其程度、方式与机理。