Ｎｏ．６ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１４ 《大型铸锻件》 ＨＥＡＶＹ ＣＡＳＴＩＮＧ ＡＮＤ Ｆ０ＲＧＩＮＧ 铸态３０ Ｃｒ２Ｎｉ４Ｍ０Ｖ钢制坯过程锻透性分析 宿展宁党淑娥何艳赵稹刘 燕 （太原科技大学材料科学与工程学院，山西０３００２４） 摘要：通过对铸态３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ钢动态再结晶状态图进行分析，利用应变值来表征锻透。当应变值为０．７ 时，钢锭发生完全动态再结晶，说明钢锭已经锻透。利用Ｄｅｆｏｒｍ模拟软件对制坯过程进行模拟，并结合缩比实 验，发现当钢锭进行两镦一拔和两镦两拔时，钢锭各部位都已锻透，但两镦两拔的晶粒均匀度优于丽镦一拔。 关键词：铸态３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ钢；锻透性；制坯过程 中图分类号：ＴＧ３１６．２ 文献标志码：Ｂ Ｆｏｒｇｉｎｇ Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ａｓ—ｃａｓｔ ３０ Ｃｒ２ Ｎｉ４ ＭｏＶ Ｓｔｅｅｌ ｉｎ Ｂｌｏｃｋｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｓｕ Ｚｈａｎｎｉｎｇ，Ｄａｎｇ Ｓｈｕ ｅ，Ｈｅ Ｙａｎ，Ｚｈａｏ Ｚｈｅｎ，Ｌｉｕ Ｙａｎ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｓｔａｔｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ａｓ—ｃａｓｔ ３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ ｓｔｅｅｌ ａｎｄ ｕｓｅ ｓｔｒａｉｎ ｖａｌｕｅ ｔｏ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅ ｆｏｒｇｉｎｇ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｔｒａｉｎ ｖａｌｕｅ ｉｓ ０．７，ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｉｓ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ｉｎ ｉｎｇｏｔ ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ，ｗｈｉｃｈ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｇｏｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｆｏｒｇｅｄ ｐｅｒｍｅａｂｌｙ．Ｄｅ￣ｒｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｂｌｏｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｆ ｓｈｒｉｎｋａｇｅ ｒａｔｉｏ ｔｏ ｃｏｎｃｌｕｄｅ ｔｈａｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｉｎｇｏｔ ｉｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｔｗｉｃｅ ｕｐｓｅｔｔｉｎｇ ａｎｄ ｏｎｃｅ ｄｒａｗｉｎｇ ｏｒ ｔｗｉｃｅ ｕｐｓｅｔｔｉｎｇ ａｎｄ ｔｗｉｃｅ ｄｒａｗｉｎｇ，ｅａｃｈ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｇｏｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｆｏｒｇｅｄ ｐｅｒｍｅａ— ｂｌｙ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ ｂｙ ｔｗｉｃｅ ｕｐｓｅｔｔｉｎｇ ａｎｄ ｔｗｉｃｅ ｄｒａｗｉｎｇ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｂｙ ｔｗｉｃｅ ｕｐｓｅｔｔｉｎｇ ａｎｄ ｏｎｃｅ ｄｒａｗｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｓ—ｃａｓｔ ３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ ｓｔｅｅｌ；ｆｏｒｇｉｎｇ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ；ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ 大型锻件的锻造过程分为两个阶段，开坯锻 造过程，为更好的制定制坯工艺提供理论依据。 １实验材料与方法 造和成形锻造。开坯锻造就是大锻件的制坯过 程，这个过程对大锻件质量的影响是非常大的，因 此必须要在此过程将钢锭锻透。 对于锻透过程及锻透机理的描述都是不同 的，文献［１］、文献［２］认为镍基高温合金涡轮盘 在开坯锻造时的组织演变机理为静态再结晶作 用；张海燕等 认为ＧＨ４１６９合金开坯锻造的组 本实验采用铸态３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ钢锭材料作 为研究对象，加工出两块尺寸为 ７０ ｉｎｎ×１００ ｍｍ的试样，进行缩比实验。将加工好的试样放 人ＫＢＦ１４００热处理炉中加热至１ ２５０℃，保温２０ ｈ，使得第二相等杂质完全融人奥氏体基体中并使 材料充分均匀化。然后按照由Ｄｅｆｏｒｍ模拟确定 的两镦一拔和两镦两拔两套方案，在１ ＭＮ液压 机上进行缩比实验。 织演变是动态再结晶、静态再结晶及亚动态再结 晶共同作用的结果，但是以静态再结晶的作用为 主；刘东等 认为ＧＨ４１６９合金铸锭开坯过程中， 当应变大于０．５时，铸锭内的铸态组织基本消除， 说明该铸锭已经锻透。 具体的实验方法为在镦粗工序中，首次镦粗 压下率为５０％，第二次镦粗时的压下率为３０％， 热加工过程中铸态组织向锻态组织的演变就 是再结晶机制，但是对于何种情况为锻透并没有 统一的认识。本文研究铸态３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ钢在 镦粗用的上下砧为液压机配套模具，尺寸为２０ ｃｍ×２０ ｃｍ。对于拔长工序，由于本实验只是研 究由应变表征锻透，因此为了方便实验，拔长模具 仍然采用镦粗模具。拔长的压下顺序为０。一 １８０。一９０。一２７０。，共压下４次完成一个拔长工 制坯过程中的锻透性，按照达到某应变值作为锻 透条件，并且利用Ｄｅｆｏｒｍ软件模拟大锻件开坯锻 收稿日期：２０１４—Ｏ５— ９ 序，单边压下率为２０％，并且镦粗工序和拔长工 作者简介：宿展宁（１９８９一），男，硕士研究生，主要研究方向：大锻 件成型及组织控制研究。 党淑娥（１９６５一），女，教授，从事材料成分设计与工艺、 性能优化。 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１２７５３３０）；山西省自然 科学基金资助项目（２０１２０１１０２２—４）。 ８ 序的上砧压下速率均为１ ｍｍ／ｓ。在镦拔实验完 成后，迅速水冷，以保留高温组织。 将试样放在４０℃过饱和苦味酸溶液中浸蚀， 用Ｚａｉｓｓ Ｉｍａｇｅｒ金相显微镜观察试样的各个区域， 以便观察材料制坯过程中显微组织的演变。并且 《大型铸锻件》 Ｎｏ．６ ＨＥＡＶＹ ＣＡＳＴＩＮＧ ＡＮＤ Ｆ０ＲＧＩＮＧ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１４ 应力值有一定程度的差异，考虑实际检测、操作误 的屈服极限，从而引发局部塑形变形，最终导致转 差，应在可以接受的范围之内。 子发生永久性变形。 另外需要指出的是，从四条母线的测试结果 因此，综合考虑转子的失效形式，有效控制转 可以看出环芯法检测的轴向和周向应力值都很接 子在制造过程中所产生的残余应力十分必要。由 近，结果比较稳定。而盲孔法检测的轴向和周向 文中所述的检测结果来看，通过目前的工艺方法， 应力值分散性大，这是由于盲孔法在钻孔时产生 已达到了可以较好地控制转子的残余应力的水 附加的加工应变，这种加工应变在方向和效果上 平。 都有很大的不确定性，因此对转子原本的应变值 产生影响，造成检测结果的不稳定。 ４结论 在正常工况条件下，高中压转子轴身区域 通过此次３０ＣｒｌＭｏｌＶ高中压转子的现场检 （可能包括轴颈）的内部温度均处在２５０—５５０℃ 测分析，可以得出以下结论： 范围内 Ｊ。由上述结果可以获悉，残余应力在转 （１）制定合理的最终热处理工艺，可以有效 子的轴向和周向呈不均匀分布，故转子发生的应 控制转子的残余应力保持在－４－３０ ＭＰａ范围内，能 力释放与金属蠕变等行为将具有各相异性的特 够较好地满足多数使用厂家的技术要求。 点。 （２）３０ＣｒｌＭｏｌＶ高中压转子轴身的残余应力 与此同时，转子在高温高压环境中高速运行 分布呈“中间高、两头低”的特点，即近轴身中部 时，如果各种工况条件均保持稳定（即稳定的高 的残余应力值大，且波动幅度也较大，而轴身两端 温蒸汽场以及稳定的高速旋转交变应力场），此 靠近肩部位置的应力值较小。 时转子在各种应力的综合作用下，内部的残余应 （３）整体上来看，除个别点外，环芯法和盲孔 力将因各相异性的特点而得以有效释放及均匀 法所测得转子各处残余应力值差别不大，应力值 化，并且转速越高、温度场越稳定，则内应力的释 的变化趋势相似。但从测试结果的稳定性来考 放程度越均匀。也就是说，如果转子的残余应力 虑，还是环芯法更稳定，进行现场测量比较好，而 控制在一定合理的水平，则机组在正常运行时不 盲孔法测量更适用于实验室检测分析。 会发生转子的塑性变形等行为。 参考文献 但是，如果转子的内部残余应力控制的不好 ［１］张景忠，商成海，于克江，等．用环芯法测定残余应力的基本 （即应力值较高），一旦转子在正常运行过程中， 原理和潜在的应用前景景［Ｊ］．一重技术，２００１（２）：１３５— 突发异常事件导致停机（如冷却介质泄露），此时 １３８． 转子将由于初始温度高、温度降梯度大以及机组 ［２］ 印兵胜．盲孔法测量残余应力技术［Ｒ］．郑州：郑州机械研 转速突然降低等原因，而在某些方向上产生额外 究所，２００４． 应力。尽管该应力值不超标，但是与转子制造本 ［３］ 邬文睿，王炜哲，蒋普宁，等．６６０ＭＷ超超临界汽轮机高压 转子的高温蠕变强度分析［Ｊ］．动力工程，２００９，２９（２）：９９ 身所产生的各相异性应力相互叠加，势必使得某 １０３． 编辑李韦萤 些方向上叠加所得的应力值超过材料在该温度下 ） 、 ） ｐ ｐ （上接第ｌ１页） ２００５．３６：２４９３—２５Ｕ４． （２）通过对Ｄｅｆｏｒｍ模拟分析发现，两镦一拔 ［２］ＫｅｒｍａｎｐｕｒＡ，Ｔｉｎ Ｓ，ＬｅｅＰＤ，ｅｔ ａ１．ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＭｏｄｅｌｉｎｇｆｏｒｔｈｅ Ｍａｎｕｆｌａｅｔｕｒｅ ｏｆ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｄｉｓｃｓ：Ｇｒａｉｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ 和两镦两拔各部分区域都已超过应变值，已经锻 ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｉｎｎｅｒａｌｓ，Ｍｅｔａｌ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ， 透。并且对两种工艺的晶粒度分析可知，两种工 ２００４．５６：７２—７８． 艺下的晶粒度相差不大，但两镦两拔的晶粒均匀 ［３］ 张海燕，等，ＧＨ４１６９合金开坯锻造中组织演变的数值分析 程度比两镦一拔好。因此可以选用两镦两拔作为 ［Ｊ］．兵器材料科学与工程，２０１２（３５）：１９—２３． 铸态３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ钢的制坯工艺。 ［４］刘东，杨艳慧，大型ＧＨ４１６９合金铸锭开坯过程的数值模拟 ［Ｊ］．稀有材料科学与工程，２００７（３６）：２０９４—２０９８． 参考文献 ［５］赵长虹，孙恺红，王继红，等．ＧＨ４１６９合金大锭型真空自耗 ［１］Ｔｉｎ Ｓ，Ｌｅｅ ＰＤ，ＫｅｒｍａｎｐｕｒＡ．Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｍｏｄｅｌｉｎｇｆｏｒｔｈｅｍａｎ－ 锭锻造开坯工艺及组织的研究［Ｊ］．辽宁特殊钢，２００３（１）： ｕｆａｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｎｉ－ｂａｓｅｄ Ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ ｄｉｓｃｓ ｆｒｏｍ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ｉｆｎａｌ ２１—２６． ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ Ａ， 编辑杜青泉 １５
