316L不銹鋼鍛件端面開(kāi)裂及內(nèi)凹原因分析及優(yōu)化
隨著工業(yè)水平的不斷發(fā)展，不銹鋼大型鍛件的需求量不斷增加。我廠(chǎng)在采用5.4t鋼錠生產(chǎn)抽類(lèi)鍛件過(guò)程中，出現(xiàn)鍛件端面及鉗把與錠身連妾處開(kāi)裂、內(nèi)凹現(xiàn)象，隨著鍛造過(guò)程的延續(xù)，裂紋向錠身方向發(fā)展，導(dǎo)致鍛件不能繼續(xù)加工。
1.問(wèn)題的提出
在采用316L 不銹鋼5.4t鋼錠生產(chǎn)鍛件的過(guò)程中，鍛件兩個(gè)端面形成嚴(yán)重的裂紋及內(nèi)凹，其中鉗把與端面的過(guò)渡區(qū)裂紋最為嚴(yán)重，繼續(xù)鍛造很可能導(dǎo)致鉗把脫落，而且由于裂紋在鍛造過(guò)程中向鍛件內(nèi)部延伸，最終可能導(dǎo)致鍛件長(zhǎng)度不夠。出現(xiàn)以上問(wèn)題的原因有以下幾點(diǎn)：
1）由于不銹鋼材料高溫塑性較差，在成形過(guò)程中金屬變形不均勻，與錘頭及V型砧接觸區(qū)域金屬變形遠(yuǎn)大于端面中心金屬流動(dòng)，因此在成形過(guò)程中，外圍金屬逐漸將靠近中心區(qū)域金屬包裹，形成內(nèi)凹；
2) 不銹鋼可鍛溫度區(qū)間在1180～900℃，壞料出爐后，鍛件表面溫度下降快，塑性下降，開(kāi)裂傾向大；
3）相對(duì)錠身，把與錠身連接處相對(duì)直徑小，表面積大，冷卻速度快，塑性差。在成形過(guò)程中鉗把與錠身相接處產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致開(kāi)裂及內(nèi)凹。類(lèi)似情況在不銹鋼自由鍛成形中比較常見(jiàn)，對(duì)鍛件質(zhì)量的影響較大，因此值得深入研究并提出相應(yīng)的解決措施。
2數(shù)值模擬分析
為了分析鍛件兩個(gè)端面開(kāi)裂和內(nèi)凹的原因，對(duì)鍛件采用上平、下V型砧拔長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行了有限元分析。為了減少模擬時(shí)間，對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化。由于研究的重點(diǎn)主要集中在鍛件的兩個(gè)端面，因此將鍛件的長(zhǎng)度減小為400 mm；模型直徑與鍛件一致為800 mm，鍛件上各圓角半徑均為50 mm。上下模設(shè)定為剛性體，溫度300℃，鍛件劃分網(wǎng)格20000個(gè)，溫度1000℃。只對(duì)一次下壓過(guò)程進(jìn)行分析，將下壓量設(shè)定150 mm，每步下壓量10 mm。平面通過(guò)該截面上鍛件成形過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變及損傷情況能有效的分析鍛件總體的變形情況。
鍛造變形過(guò)程中等效應(yīng)中可以看到鍛件端面開(kāi)裂的主要原因。
1）由于316L塑形較差，導(dǎo)致變形區(qū)域小，因此在變形區(qū)域端面成鼓形，容易開(kāi)裂；
2)變形過(guò)程中，金屬流動(dòng)主要集中在鍛件與上平砧接觸的區(qū)域，而在端面中心及靠近鉗把的區(qū)域幾乎沒(méi)有變形，因此在不斷成形過(guò)程中，端面外層金屬逐漸將內(nèi)層金屬包裹，形成內(nèi)凹，形成內(nèi)凹的區(qū)域應(yīng)力集中造成開(kāi)裂；
3）如果這些裂紋及內(nèi)凹不及時(shí)處理，在反復(fù)加熱和成形過(guò)程中，裂紋表面不斷氧化并向鍛件心部擴(kuò)張，最終將形成缺陷。
4)由于316L塑形較差，可以推斷在鍛件壓鉗口及e粗的過(guò)程中，由于端面與模具接觸時(shí)間較長(zhǎng)，端面溫度低，端面已產(chǎn)生微裂紋。若未經(jīng)處理，這些微裂紋將在后續(xù)成形過(guò)程中成為裂紋源。
3鍛件結(jié)構(gòu)優(yōu)化
不銹鋼鍛件端面開(kāi)裂問(wèn)題涉及到材料性能、溫度控制及工藝方案的確定等多個(gè)方面。鍛件結(jié)構(gòu)對(duì)端面開(kāi)裂有著重要的影響，確定適當(dāng)?shù)腻懠Y(jié)構(gòu)，有助于減少開(kāi)裂傾向。為了給減少端面開(kāi)裂提供依據(jù)，采用數(shù)值模擬方法對(duì)影響鍛件端面質(zhì)量的三個(gè)因素即根部圓角R、頂部圓角R和端面斜度α以及在端面和鉗把過(guò)渡區(qū)域進(jìn)行分析。采用四種方案進(jìn)行有限元數(shù)值模擬得到的等效應(yīng)變及損傷。內(nèi)凹現(xiàn)象，端面變形比較均勻，即增大根部圓角R，及端面斜度α有助于減少內(nèi)凹及裂紋的產(chǎn)生；方案3金屬內(nèi)凹顯著，方案4增加凸臺(tái)沒(méi)有使內(nèi)凹情況得到改善。因此可以得出結(jié)論：增大根部圓角R及端面斜度α有助于減少內(nèi)凹及裂紋的產(chǎn)生，大的頂部圓角R，增大內(nèi)凹及裂紋趨勢(shì)，在端面和鉗把過(guò)渡區(qū)域設(shè)置臺(tái)階對(duì)內(nèi)凹及裂紋無(wú)改善。
為了達(dá)到增大根部圓角及端面斜度應(yīng)采取以下工藝手段：
1）在壓鉗口過(guò)程中，應(yīng)有意增大根部圓角及端面斜度；
2）在粗過(guò)程中，應(yīng)采用球面粗或錐形面鍬粗，錐形面的角度應(yīng)比一般材料適當(dāng)增大，同時(shí)加大漏盤(pán)上鉗把與錠身連接處過(guò)渡圓角；
3）控制鍛件溫度在合理的鍛造溫度內(nèi)，可采用先兩頭后中間的拔長(zhǎng)方法。
4）在保證鍛比的情況下，盡量減少拔次數(shù)或增大徽粗高度，以減小端面的反復(fù)變形；
5)合理控制下壓量，開(kāi)始應(yīng)輕壓，當(dāng)變形量超過(guò)30%后才能重壓，每火次后及時(shí)清傷；
6)對(duì)于已產(chǎn)生比較嚴(yán)重裂紋的鍛件，可采用拔長(zhǎng)過(guò)程避開(kāi)兩個(gè)端面的成形方法，避免裂紋進(jìn)一步延伸。
進(jìn)一步證實(shí)，二次點(diǎn)蝕遵循在初生蝕孔底部形核并逐步長(zhǎng)大的形成方式。即初生蝕孔長(zhǎng)大到一定程度后，內(nèi)壁將產(chǎn)生活化/鈍化的轉(zhuǎn)變過(guò)程，原蝕孔的長(zhǎng)大速度減緩并可能完全停止，使得二次形核的次生蝕孔不斷長(zhǎng)大。這種鈍化膜并不能使蝕孔穩(wěn)定鈍化，也不會(huì)讓腐蝕停止發(fā)展，而是將點(diǎn)蝕從完全活化態(tài)轉(zhuǎn)化為局部活化態(tài)，在使初生點(diǎn)蝕生長(zhǎng)暫停的同時(shí)又轉(zhuǎn)化為次生點(diǎn)蝕生長(zhǎng)的開(kāi)始。當(dāng)蝕孔在一定時(shí)期處于完全活化態(tài)時(shí)，蝕孔內(nèi)壁有明顯的Cr元素的相對(duì)貧乏和0、Ni、Fe 等元素的相對(duì)富集，內(nèi)部腐蝕均勻，不斷溶解，點(diǎn)蝕又以初生生長(zhǎng)方式長(zhǎng)大。但是這種生長(zhǎng)方式至少在某些條件下并不能完全穿透金屬。此后隨著Cr元素逐漸富集，蝕孔內(nèi)壁將逐漸建立起新的鈍化膜，這種鈍化膜使孔內(nèi)由完全活化態(tài)又轉(zhuǎn)化為局部活化態(tài)。在結(jié)束了初生蝕孔生長(zhǎng)方式的同時(shí)，在閉塞區(qū)域內(nèi)又開(kāi)始了次生蝕孔的完全活化態(tài)，孔蝕又繼續(xù)進(jìn)行。通過(guò)上述“初生蝕孔完全活化態(tài)——蝕孔局部活化態(tài)——次生蝕孔完全活化態(tài)”周期性的反復(fù)，兩種活化態(tài)的相互轉(zhuǎn)換，對(duì)應(yīng)的兩種腐蝕生長(zhǎng)方式交替進(jìn)行，不斷的沿蝕孔底部（厚度）方向加速腐蝕，直至最終穿透金屬。
3 結(jié)論
（1）銹蝕現(xiàn)象系因氯含量嚴(yán)重超標(biāo)而產(chǎn)生的點(diǎn)腐蝕所致，最大點(diǎn)蝕坑直徑為（8~10）μm，深度為(10～12)μm，為輕度點(diǎn)腐蝕。
（2）腐蝕坑只在少數(shù)局部區(qū)域分布，并非沿整個(gè)銹蝕層下面密集分布。
（3）在確保整個(gè)試板表面（沿厚度方向）一次性打磨0.2 mm以上后，徹底杜絕了二次點(diǎn)腐蝕的再次發(fā)生。提高鋼錠塑性，鋼錠鍬粗變形后也要進(jìn)行小變形量表面變形操作，壓實(shí)徽粗過(guò)程中環(huán)向拉應(yīng)力導(dǎo)致的柱狀晶區(qū)微細(xì)裂紋。
（4）包晶鋼對(duì)變形溫度較敏感，尤其鋼錠各部分溫度不均導(dǎo)致的各部位塑性不同，變形時(shí)的拉齊作用使局部發(fā)生撕裂，因此要在高溫下變形，溫度不均時(shí)返爐加熱。
實(shí)際生產(chǎn)時(shí)采取以上方法，控制凝固參數(shù)可以取得較好效果，保證沒(méi)有開(kāi)裂缺陷，其它方法屬于挽救措施，不能完全消除表面裂口。