大型锻造的质量控制和研究方略--中国期刊网

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大型锻造的质量控制和研究方略

发表时间：2020/10/10 来源：《基层建设》2020年第17期作者：刘海斌

[导读] 摘要：依据大型锻造的科技发展，针对大型锻造的实际应用，阐述了大锻件质量分析与控制的论点和现代综合研究的思路。

        中国第一重型机械股份公司黑龙江省齐齐哈尔市 161042
        摘要：依据大型锻造的科技发展，针对大型锻造的实际应用，阐述了大锻件质量分析与控制的论点和现代综合研究的思路。论述了全面提高大锻件内在质量的理论。强调指出计算机技术与实践相结合的重要意义。
        关键词：大型锻造；质量控制；研究方案
        1大锻件的质量控制
        通常把锻造的任务归结为两点：一曰“成形”、二曰“变性”。成形主要确保几何形状准确，外形尺寸精化，尽量接近制件形状尺寸，以减小加工余量，节约原材料消耗。这要通过研究塑性加工力学、控制金属流动来解决。而变性主要是改善坯料内部组织性能，提高使用可靠性和工作寿命。这要通过研究塑性变形中的物理化学变化、研究锻造金属学问题来改进。当然，两者不是孤立的，是相互有联系的。对于中小锻件而言，成形是主要的，而对大型锻件而言，则内部质量控制似乎更重要。大锻件一般装在机器的关键部位，其受力复杂、工况特殊、质量要求极为严格。随着科技进步和制造业的发展对大锻件内在质量提出了更高要求。不仅如此，高水平的大型锻造，其精化形状尺寸、节省材料与能耗的要求也是很高的。当前，评价大锻件的内在质量和使用性能主要从如下方面考虑：组织结构的致密性、均匀性、纤维流向和晶粒分布的合理性，以及最少的内部缺陷。高质量的大锻件主要表现在：
        （1）组织结构致密性好，比如铸态组织结构被压实破碎，微孔隙被焊合，晶粒被细化等。一般通过合理的变形温度，良好的压应力状态，充分的锻透压实，合理的塑性流动，从而得到致密性良好的锻件。通常钢质纯净，热锻合理，锻件致密性好。
        （2）均匀性好，主要指组织性能各处均匀一致，没有所谓组织不均、性能低下的“弱面”、“弱带”，因为在受力时此处容易首先破坏。对于尺寸大，工艺过程复杂的大锻件，其均匀性要求显得尤为重要。均匀性可通过控制变形温度场和应变分布来改善，凡是材质纯净，应变场与温度场均匀，则锻件组织性能应该是均匀一致的。锻造时要避免在终锻时进行大的局部变形。对一些特殊锻件可采用一些特殊的变形方式与措施来提高均匀性，如采用“人字”形砧子拔长、锥面砧镦粗、反复镦拔变形，使金属流动涡乱，变形困难区减小，使内部均匀变形。
        （3）纤维流向与晶粒分布要合理。锻件内产生“流线”，则性能会有方向性。晶粒分布不均，粗晶区与细晶区性能有差别，这种情况应合理利用，以提高锻件使用寿命。有几个例子可说明：例，全纤维镦锻曲轴中由于拐颊内部有连续的纤维，并与曲拐外轮廓相仿，而且与工作时受到的扭转剪应力垂直，因而使用寿命长，性能良好；例，拉杆内有连续的纵向纤维，则承拉能力强；例，传动轴在工作时因承受扭转应力，有人用特殊的锻造方法使扭力轴中生成回旋型纤维，则轴的抗扭能力显著增强。于是可用较小的直径，既节省了原材料又延长了使用寿命。所以，合理的纤维分布应该是与锻件外轮廓相近。流线方向与工作正应力平行，与剪应力垂直者合适。另外，锻件中晶粒分布，应符合“等强度”原则，即锻件受力最大处，应力集中部位晶粒最好细匀些，其余部位允许晶粒度较差些。如何满足上述要求呢？可以采用特殊锻压工艺采用特殊工具。比如，弯曲镦锻曲轴、螺旋型锻造、采用特殊砧面工具，调控变形流向。调控锻造坯料内的温度场，使高温区产生大变形而较低温区小变形，从而得到不同的晶粒分布。以此来提高使用性能，节省锻造材料消耗量。

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        （4）内部缺陷少或没有严重的缺陷。一般材质纯净，冶铸缺陷少，偏析少，裂纹和类孔隙性缺陷少，则锻件质量好，因此提高炼钢和铸造水平是提高大锻件水平的重要保证。近年来广泛采用炉外精炼，使钢质纯净度大幅提高，许多以往不能生产的高合金钢锻件，如今也能顺利制造了。另外在预防白点，缩短扩氢热处理周期、减少严重缺陷方面，取得了显著的成果。但是，由于大锻件形体尺寸大，工艺复杂，内裂缺陷时有发生。大锻件内部存在裂纹或类孔隙性缺陷，超声波探伤不合格是造成废品的重要原因。比如坯料内部存在有夹杂物，粗大晶粒和内裂，那么在巨大的集中应力和不均的剪应力作用下产生不均匀变形导致损伤，形成内裂缺陷。因此对原材料冶铸、热锻等环节进行综合治理，消除内裂产生的根源和条件是提高锻件品质的根本措施。但对带有内裂缺陷大锻件进行愈合修复，重新启用，亦有重要经济价值和现实意义。内裂修复愈合原理为：任何结构与成分不均质（包括微裂纹）的材料，在热力学许可条件下，都将趋于均匀化。其本质是在扩散力（浓度、应力场、电场等梯度）作用下，金属原子定向，扩散迁移，使内裂得以愈合修复。内裂修复的过程大致为：裂纹相对应面凸起融合，长裂纹分段球化，然后收缩愈合。近期研究工作揭示了愈合修复的机制。依据裂纹愈合中组织生长、性能变化与生物伤口愈合相似的现象，提出的内裂类生修复机制，引起业内人士的极大兴趣。
        现在已经研究应用了高温扩散处理、加压扩散处理、塑性变形与扩散相结合的修复愈合技术，并在大型管板、大型封头、大型模块等类型大锻件内裂修复中取得了明显的效果，还在轧制钢材、管材内裂控制上得到了成功的应用。综上所述大锻件的质量是一涉及面广、影响因素多的关键课题，需要全面综合治理才能确保高质量。但是目前大锻件生产中沿用“锻造比”作为质量评价指标，是不科学的、不合理的，应该建立新的评价体系。
        2大型锻造的研究方法
        当前，大型锻件科研工作中，“单项”模拟实验碰到许多困难，这是因为：其一，锻件尺寸巨大，作业时间长，工模具复杂化，应力应变状态多变，不稳定因素太多，因而难以模拟。其二，高温、高压、摩擦、润滑难以掌握，因此单一的物理模拟实验很难设计与实施，尤其难以得到定量结论。在当代科技发展情况下，采用“综合”的研究思路逐渐受到重视，即把宏观、微观、热力学、物理化学、锻造金属学等等综合分析，并通过计算机联络起来。眼下，计算机技术不断发展，广泛应用，不仅能给出过程信息（变形过程，力能参数变化，组织结构变化等），场量信息（应力、应变、温度分布等），而且可以定量、优化、动态显示，以致于虚拟、诊断、预报、智能化研究、新工艺开发等等，在许多方面拓宽了研究视野。体现了综合研究的优越性。但是目前应用计算机中需要提醒结合实际问题，明确单靠软件操作不可能正确解决生产应用问题。这是因为有些标准程序，其模型和计算条件与应用情况不符，因而计算结果与实际出入较大，所以必须通过实践资料来校正，必须进行结合实际的基础研究工作。如
        何结合实际正确解决问题呢？比如通过基础实验不断丰富数据库，校正参数与计算模型；依据实践经验，生产统计资料调整计算程序；依靠塑性成形的基本理论和知识；依靠长期认知的正确规律和经验，不断完善计算机应用的准确性与可靠性。只有这样计算机技术才能在大型锻造中正确应用。那种只凭程序操作下结论，脱离实际凑数据的作法都是错误的。综上所述，目前不仅应该强调广泛应用计算机技术，更应该强调计算机技术与实验、实践相结合，从而正确用好这一先进工具进行数字化综合研究。
        参考文献：
        ［1］郭会光，大型锻件的技术创新，第九届全国塑性工程学术年会论文集，太原，2005（7）：