大型锻件组织与性能的影响因素及其控制技术.docxVIP

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，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。

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。

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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，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空精炼，再使用真空吹氩浇注。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。

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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。细小均匀的晶