316L不銹鋼鍛件端面開裂及內(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。我廠在采用5.4t鋼錠生產(chǎn)抽類鍛件過程中，出現(xiàn)鍛件端面及鉗把與錠身連妾處開裂、內(nèi)凹現(xiàn)象，隨著鍛造過程的延續(xù)，裂紋向錠身方向發(fā)展，導致鍛件不能繼續(xù)加工。

1.問題的提出

       在采用316L 不銹鋼5.4t鋼錠生產(chǎn)鍛件的過程中，鍛件兩個端面形成嚴重的裂紋及內(nèi)凹，其中鉗把與端面的過渡區(qū)裂紋最為嚴重，繼續(xù)鍛造很可能導致鉗把脫落，而且由于裂紋在鍛造過程中向鍛件內(nèi)部延伸，最終可能導致鍛件長度不夠。出現(xiàn)以上問題的原因有以下幾點：

        1）由于不銹鋼材料高溫塑性較差，在成形過程中金屬變形不均勻，與錘頭及V型砧接觸區(qū)域金屬變形遠大于端面中心金屬流動，因此在成形過程中，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，開裂傾向大；

 3）相對錠身，把與錠身連接處相對直徑小，表面積大，冷卻速度快，塑性差。在成形過程中鉗把與錠身相接處產(chǎn)生應力集中，導致開裂及內(nèi)凹。類似情況在不銹鋼自由鍛成形中比較常見，對鍛件質量的影響較大，因此值得深入研究并提出相應的解決措施。

2數(shù)值模擬分析

        為了分析鍛件兩個端面開裂和內(nèi)凹的原因，對鍛件采用上平、下V型砧拔長過程進行了有限元分析。為了減少模擬時間，對模型進行了簡化。由于研究的重點主要集中在鍛件的兩個端面，因此將鍛件的長度減小為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。上下模設定為剛性體，溫度300℃，鍛件劃分網(wǎng)格20000個，溫度1000℃。只對一次下壓過程進行分析，將下壓量設定150 mm，每步下壓量10 mm。平面通過該截面上鍛件成形過程應力應變及損傷情況能有效的分析鍛件總體的變形情況。

鍛造變形過程中等效應中可以看到鍛件端面開裂的主要原因。

        1）由于316L塑形較差，導致變形區(qū)域小，因此在變形區(qū)域端面成鼓形，容易開裂；

 2)變形過程中，金屬流動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)域幾乎沒有變形，因此在不斷成形過程中，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)域應力集中造成開裂；

 3）如果這些裂紋及內(nèi)凹不及時處理，在反復加熱和成形過程中，裂紋表面不斷氧化并向鍛件心部擴張，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粗的過程中，由于端面與模具接觸時間較長，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)成形過程中成為裂紋源。

3鍛件結構優(yōu)化

       不銹鋼鍛件端面開裂問題涉及到材料性能、溫度控制及工藝方案的確定等多個方面。鍛件結構對端面開裂有著重要的影響，確定適當?shù)腻懠Y構，有助于減少開裂傾向。為了給減少端面開裂提供依據(jù)，采用數(shù)值模擬方法對影響鍛件端面質量的三個因素即根部圓角R、頂部圓角R和端面斜度α以及在端面和鉗把過渡區(qū)域進行分析。采用四種方案進行有限元數(shù)值模擬得到的等效應變及損傷。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增加凸臺沒有使內(nèi)凹情況得到改善。因此可以得出結論：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，在端面和鉗把過渡區(qū)域設置臺階對內(nèi)凹及裂紋無改善。

為了達到增大根部圓角及端面斜度應采取以下工藝手段：

       1）在壓鉗口過程中，應有意增大根部圓角及端面斜度；

       2）在粗過程中，應采用球面粗或錐形面鍬粗，錐形面的角度應比一般材料適當增大，同時加大漏盤上鉗把與錠身連接處過渡圓角；

       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，以減小端面的反復變形；

       5)合理控制下壓量，開始應輕壓，當變形量超過30%后才能重壓，每火次后及時清傷；

       6)對于已產(chǎn)生比較嚴重裂紋的鍛件，可采用拔長過程避開兩個端面的成形方法，避免裂紋進一步延伸。

        進一步證實，二次點蝕遵循在初生蝕孔底部形核并逐步長大的形成方式。即初生蝕孔長大到一定程度后，內(nèi)壁將產(chǎn)生活化/鈍化的轉變過程，原蝕孔的長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大。這種鈍化膜并不能使蝕孔穩(wěn)定鈍化，也不會讓腐蝕停止發(fā)展，而是將點蝕從完全活化態(tài)轉化為局部活化態(tài)，在使初生點蝕生長暫停的同時又轉化為次生點蝕生長的開始。當蝕孔在一定時期處于完全活化態(tài)時，蝕孔內(nèi)壁有明顯的Cr元素的相對貧乏和0、Ni、Fe 等元素的相對富集，內(nèi)部腐蝕均勻，不斷溶解，點蝕又以初生生長方式長大。但是這種生長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)又轉化為局部活化態(tài)。在結束了初生蝕孔生長方式的同時，在閉塞區(qū)域內(nèi)又開始了次生蝕孔的完全活化態(tài)，孔蝕又繼續(xù)進行。通過上述“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，兩種活化態(tài)的相互轉換，對應的兩種腐蝕生長方式交替進行，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 結論

     （1）銹蝕現(xiàn)象系因氯含量嚴重超標而產(chǎn)生的點腐蝕所致，最大點蝕坑直徑為（8~10）μm，深度為(10～12)μm，為輕度點腐蝕。

     （2）腐蝕坑只在少數(shù)局部區(qū)域分布，并非沿整個銹蝕層下面密集分布。

     （3）在確保整個試板表面（沿厚度方向）一次性打磨0.2 mm以上后，徹底杜絕了二次點腐蝕的再次發(fā)生。提高鋼錠塑性，鋼錠鍬粗變形后也要進行小變形量表面變形操作，壓實徽粗過程中環(huán)向拉應力導致的柱狀晶區(qū)微細裂紋。

     （4）包晶鋼對變形溫度較敏感，尤其鋼錠各部分溫度不均導致的各部位塑性不同，變形時的拉齊作用使局部發(fā)生撕裂，因此要在高溫下變形，溫度不均時返爐加熱。

實際生產(chǎn)時采取以上方法，控制凝固參數(shù)可以取得較好效果，保證沒有開裂缺陷，其它方法屬于挽救措施，不能完全消除表面裂口。