[發明專利]高效率消除坯料內部孔洞型缺陷的超高溫軟芯鍛造方法

有效

• 申請號: 201810273899.2
• 申請日: 2018-03-29
• 公開（公告）號: CN110315018B
• 公開（公告）日: 2020-08-21
• 發明（設計）人: 徐斌;郭逸豐;孫明月;曹艷飛;李殿中
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: B21J5/06
• 分類號: B21J5/06;B21J13/06;B21J9/20
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

本發明屬于鍛造領域，具體地說就是一種高效率消除坯料內部孔洞型缺陷的超高溫軟芯鍛造方法。該方法通過數值模擬方法確保鍛造開始時鋼錠的液芯率在5％左右，結合目前超高溫軟芯鍛造實際狀況提出平移式寬砧徑向壓實工藝：1)采用平板為上下砧將鋼錠完全覆蓋，采用寬砧徑向壓實工藝對坯料進行壓下并保壓；2)將上平板向冒口端移動露出錠尾一部分，采用寬砧徑向壓實工藝對坯料進行壓下并保壓；3)將上平板繼續向冒口端移動，露出鋼錠的一半，采用寬砧徑向壓實工藝對坯料進行壓下并保壓；4)回爐保溫，采用平砧進行拔長，修整坯料外形至長方體形狀，并最終鍛造至目標尺寸，該方法適用于各種坯料的超高溫軟芯鍛造過程。

技術領域

本發明屬于鍛造領域，具體地說就是一種高效率消除坯料內部孔洞型缺陷的超高溫軟芯鍛造方法，它適用于各種坯料的超高溫軟芯鍛造過程。

背景技術

大鋼錠是大型鍛件的母材，鋼錠在澆注以及隨后的凝固過程中會產生縮孔、疏松、氣孔等孔洞型缺陷。在金屬液澆注到鋼錠模以后，與鋼錠模接觸的金屬液將首先凝固，而心部的金屬由于熱傳導慢將最后凝固。鋼錠心部區域將逐漸形成糊狀區，而此時鋼錠冒口頂部表面已經凝固，導致無法對心部進行補縮，最終在沿鋼錠軸線的心部區域形成縮孔和疏松等缺陷，如圖1所示，從100噸核電轉子用鋼錠內部缺陷的實際解剖照片可見，鋼錠心部區域形成的縮孔疏松呈細長條狀沿軸線分布。這些缺陷由于尺寸較大，必須使用有效的鍛造工藝將其鍛合，否則將造成整件報廢的嚴重后果，導致重大的經濟損失。同樣，對連鑄坯來說，由于沒有冒口對其中心縮孔疏松進行補縮，因此其中心區域通常存在嚴重的貫穿性縮孔疏松缺陷，采用普通鍛造工藝難以使其有效愈合，通常只能使用其鍛造筒類、管類件，嚴重限制其使用范圍。為了改善鍛件的致密性，大批科研人員長期致力于開發消除鋼錠心部顯微孔洞的“中心壓實”工藝，目前已獲得工業應用的工藝，如：WHF法(寬砧強壓法)、FM法(心部消拉應力法)、JTS法(硬殼鍛造法)、WRF法(寬砧徑向壓實法)等。這些工藝手段改善鍛件心部應力、應變狀態，促進孔洞類缺陷的愈合，通過再結晶破碎鑄態組織，使鍛件以無缺陷或微缺陷狀態服役，提升重大裝備的運行安全性。然而，由于材料成分和鋼錠規格的多樣性和復雜性，造成中心缺陷的大小和分布難以用統一的標準定量衡量，當前中心壓實工藝尚不足以消除一些鋼錠中心比較嚴重的缺陷。

國內外一些經典的凝固理論和實驗研究，鋼錠中縮孔疏松缺陷的形成是一個形核、長大的過程。最早的微型疏松往往起源于夾雜物或氣泡，在隨后的冷卻收縮過程中，這些微型疏松在拉應力的作用下急劇長大，形成疏松甚至縮孔、縮裂缺陷。如果能在疏松形成的早期也就是凝固的末期將其愈合，并在后續體積收縮過程中創造一個三向壓應力的環境，將有望徹底抑制疏松缺陷的形成和擴展，見圖4。基于此分析，相關研究人員于近期開發一種針對消除中心孔洞型缺陷更為強力有效的鍛造方法—超高溫軟芯鍛造方法，首先將澆注后的鋼錠帶液芯超高溫脫模；然后放置于保溫車中均溫并運送到鍛壓機，將鋼錠帶液芯實施高溫保壓鍛造，使凝固末端樹枝晶充分破碎，形成大量等軸晶組織，消除縮孔疏松，減輕枝晶偏析；最后，進行常規鍛造，充分細化晶粒和組織。該方法突破常規模鑄鋼錠完全凝固后再鍛造的方法，通過超高溫帶液芯脫模，創造鋼錠心部流動性極好的半固態組織和表面與心部巨大的溫度差，結合后續重壓下及保壓方法，可實現強制補縮和壓力凝固，不但解決鋼錠中心的縮孔、疏松、偏析等問題，提升冶金質量，而且降低冒口重量、減少鍛造加熱火次、延長模具使用壽命。

在目前利用超高溫軟芯鍛造技術實際生產過程中，為了保證鋼錠內部較大應變，用寬砧徑向壓實法(WRF)對坯料實施主變形。然而由于經過超高溫脫模，熱送后鋼錠具有溫度梯度，冒口端的溫度(約1300℃)要大于錠尾的溫度(約1000℃)，這就使得鋼錠錠尾不容易變形，而錠身及冒口端容易變形。在實際變形壓下過程中，容易造成所需變形抗力接近壓機壓力極限而無法變形的情況，而且由于凝固末期的液芯主要集中在靠近冒口端的中心處，如果這些殘留的液芯不能在外界壓力下凝固，在后續凝固過程中仍然會產生嚴重的縮孔疏松缺陷。

發明內容