大鍛件生產過程中的晶粒控制

□牛東亮

上海電氣 上重鑄鍛有限公司　上海　200245

大鍛件生產過程中的晶粒控制

□牛東亮

上海電氣 上重鑄鍛有限公司上海200245

粗晶是鍛件生產中常見的質量問題，大鍛件的粗晶不僅影響鍛件的性能，嚴重的甚至導致產品報廢。針對影響大鍛件晶粒的原因進行了分析，并對加熱、鍛壓、鍛后熱處理工序進行了深入探討，從生產實際出發，利用“人、機、料、法、環”分析法提出了改進措施，相關措施已在實踐中應用，取得很好效果。

晶粒粗大使鍛件性能明顯下降，影響鍛件使用壽命，而且粗晶鍛件在進行超聲波探傷時會出現草狀波，導致聲波信號迅速衰減，底波消失，對鍛件內在情況無法作出判斷。對Z2CN19-10、SA-376TP 316LN、SA-336 304H等奧氏體不銹鋼鍛件，無法用熱處理方式細化晶粒，如果不能在鍛造過程中避免鍛件晶粒粗大，產品最終將報廢。為提高大鍛件性能、改善探傷條件，必須確保晶粒細化，避免粗晶現象［1-4］。

1　影響鍛件晶粒的因素及分析

1.1大鍛件粗晶形成的原因

（1）大鍛件原始鋼錠尺寸較大，結晶緩慢，導致鑄態組織粗大［5］。筆者單位曾經鍛壓過重460 t、最大尺寸3 873 mm、錠身長度4 671 mm的鋼錠，其脫模時間達3 d以上。

（2）鍛造過程時間長，進出爐加熱次數多，且變形不均勻。大鍛件鍛壓周期一般比較長，受到鍛壓工作量、鍛造溫度及操作熟練程度等影響，大鍛件不同部位的完工時間不一致，先完工部位往往要再經歷多次高溫加熱。同時，鍛件表面與心部的溫差也很大，雖然鍛件表面已在終鍛溫度，但心部仍處在高達1 000℃以上的高溫，導致鍛件的晶粒粗大且不均勻［6-8］。

（3）某些大鍛件用鋼的奧氏體晶粒遺傳嚴重［5，9］，一般情況下，隨著晶粒細化，鍛件屈服強度、疲勞強度提高，同時具有很高的塑性和沖擊韌性。鍛件晶粒大小隨著加熱溫度、鍛壓變形量及熱處理方式選擇等時刻發生著變化，細化晶粒要從整個生產過程綜合考慮，選擇合理的工藝參數，做好過程管控。

1.2加熱過程中影響鍛件晶粒的因素

金屬加熱后隨著原子擴散能力的增加，金屬將依次發生回復、再結晶和晶粒長大。由于加熱溫度升高，原子擴散能力和晶界遷移能力增強，有利于晶粒長大，再結晶加熱溫度越高，保溫時間越長，金屬的晶粒越大［1，2，10］。

鍛件加熱速度較慢，而加熱溫度過高（通常t≥1 240℃），保溫時間長，中間加熱次數多，中間鍛造過程終鍛溫度高，鍛坯無過冷，長時間處于奧氏體高溫區，容易造成產品粗晶，在加熱爐內靠近燒嘴處甚至可能出現過熱情況。

在實際編制加熱工藝及操作過程中，必須從溫度控制、加熱速度、保溫溫度等方面綜合制定鍛造加熱升溫和保溫曲線，每火次的加熱溫度及保溫時間應從該火次鍛件當量直徑、剩余鍛比等方面考慮，如隨鍛件當量尺寸的增減，升溫速度作相應調整等。

1.3鍛壓過程中影響鍛件晶粒的因素

通過鍛壓可使原始鋼錠中的粗大枝晶和柱狀晶粒變為晶粒較細、大小均勻的等軸再結晶組織，使鋼錠內原有的偏析、疏松、氣孔、夾渣等壓實和焊合，組織變得更加緊密，提高金屬的塑性和力學性能。在鍛壓過程中，通過合理選擇始鍛溫度、鍛造比、終鍛溫度，結合特定的鍛造工藝、冶金輔具，達到細化晶粒的目的［10］。

根據工序的鍛比情況，選擇合適的始鍛溫度，在較大變形量的情況下，表面鍛造溫度一般控制在1 200～1 270℃，而對小變形量工序鍛件，表面鍛造溫度控制在850～1 200℃。目前對截面大、可鍛性較好的鍛件，提倡以A3線溫度稍低的兩相區變形來細化晶粒，盡管此時外部材料已進入奧氏體和鐵素體兩相區，但由于奧氏體塑性本來就好，鐵素體的塑性也不差，所以可鍛性仍較好，加上此時坯料雖然表面溫度達700～780℃，但心部溫度仍然保持在1000℃左右，呈典型的外冷內熱和外硬內軟的狀態，小壓縮量變形效果集中在內區，中心區的材料在外殼包裹下變形，對內部壓實非常有好處，對鍛件中心區域的晶粒細化作用也很大。完工火次的始鍛與終鍛溫度對鍛件晶粒度影響非常大，特別是對于奧氏體不銹鋼鍛件來說，如果完工火次溫度與變形控制不當，極易產生粗晶，且無法通過熱處理方式消除，最終造成產品報廢。一般根據鍛造比選擇鍛造溫度，除最后一火外，其余火次鍛造溫度控制在850～1 270℃，當鍛造比≤1.5時，鍛造溫度應下降20～50℃，最后一火的鍛前加熱溫度可按其工序剩余鍛比K確定，當K≥1.5時，可按允許的最高溫度加熱；當K＜1.5時，應降低加熱溫度（如1 050℃）或裝入高溫爐保溫，但保溫時間比正常保溫時間減少。

在鍛壓過程中隨著工藝的不同，也容易造成產品粗晶現象的發生。鍛件坯料開坯前如果沒有鐓粗工序，鋼錠的原始柱狀晶未被打碎，若后道工序無壓實操作，極易產生粗晶現象（如直接開坯后鐓粗剝邊成形的管板，剝邊后只是在近表面得到細晶粒，中心夾層均為粗大晶粒，且原柱狀晶變扁圓狀粗晶粒、層狀疊布）；鍛件鐓粗時如果高徑比大于2.5，變形區只發生在近砧面區，中心部分未發生變形（如管板滾圓），晶粒度得不到改善，也易產生粗晶；鍛件高溫下在某一個方向上進行大變形時，中心區產生嚴重熱效應（溫度遠高于1 200℃），使其晶粒在主變形方向迅速拉長；鍛比不夠或鍛比不均勻，也易造成產品局部粗晶（如某方向探傷可以，換方向即不行）；最后一火未達到均勻的臨界變形度（如16 Mn必須：1 200℃下，ε≥40%；1 100℃下，ε≥30%；1 000℃下，ε≥25%），也易產生粗晶現象。

終鍛溫度高也容易造成粗晶，若終鍛溫度過高（大直徑鍛件外表850℃左右時，中心溫度超過1 000℃），停鍛之后，鍛件內部晶粒會繼續長大，形成粗晶組織。

1.4鍛后熱處理過程中影響鍛件晶粒的因素

鍛件完工后一般在600～650℃爐內待料，待同批次鍛件一起完工后同爐處理，但完工鍛件長期保溫在待料溫度600～650℃時，常有不良組織析出和混晶，鍛后熱處理正火時適當提高爐子加熱速度，能夠起到細化晶粒的作用（若升溫Δt≥200℃/h時，可使晶粒度提高1級）。

2　大鍛件生產過程中晶粒控制的方法探討

針對上述分析，筆者從人、機、料、法、環等方面，結合日常生產中的實踐經驗，就大鍛件生產過程中晶粒控制提出如下措施。

（1）加強各作業工種特別是對鍛工的培訓。鍛造作業過程是集體操作，鍛件加熱需要熱處理工，鍛壓需要鍛工，運輸需要行車工，設備日常保養及維修需要鉗工等，每一個工序步驟操作都對大鍛件的晶粒大小產生影響，對于集體中的每一個成員（尤其是鍛工）而言，要熟練掌握各個工序過程的操作要領，對過程中可能發生的意外情況做好預案，有應對的措施，通過培訓提高各工種在實際操作中的技能，掌握處理日常問題的本領。

（2）合理設計工裝輔具，針對批量產品中某一特殊問題，可通過設計產品專用工裝，提高材料利用率、鍛造效率，確保產品質量的可靠性。

（3）優化工藝。利用有限元等分析軟件對鍛件成形過程進行模擬，分析金屬流動規律，對鍛造工藝參數進行優化。完工火次的加熱溫度和保溫時間對鍛后熱處理后鍛件的衰減影響很大，所以在工藝上要特別注明完工火次加熱溫度及保溫時間，盡可能控制在鍛造過程中的晶粒粗大與組織遺傳。針對在鍛造過程中坯料要多次加熱到1 200℃以上，又常處于局部鍛造狀態，其局部在奧氏體狀態下的晶粒長大迅速；重結晶過程又不能理想地將這部分晶粒全部細化，且常規鍛后熱處理工藝對冷卻速度重視不夠，產生的組織達不到高強度要求的情況，在鍛后熱處理工藝中，要突出細化晶粒，以較快的冷卻速度促進重結晶，鍛后熱處理工藝中，增加一次高溫奧氏體化，用來細化晶粒，同時，正火后以鼓風冷卻方式增加冷卻速度。

（4）細化操作。對操作規范進行細化：如針對鍛工設置鍛造過程中大鍛件的初始變形量，每次變形量要一致，轉動角度要均勻，鐓粗上砧子、鐓粗帽子、坯料、鐓粗漏盤在同一直線上，以避免鐓粗時坯料產生折疊、偏心等現象。將每個步驟需要思考和關注的點模塊化，結合生產過程中出現的質量問題，及時將相關改進措施融入到規范中，通過PDCA循環，不斷總結、改進和提高。

（5）加強整個生產的過程控制。為了確保鍛造過程中嚴格按照技術工藝要求操作，工藝人員要及時做好跟班技術服務、現場指導，隨時解決遇到的各種技術問題。

3　結論

鍛件粗晶的原因是多方面的，但只要掌握了其內在的規律，通過采取有效的應對措施，同時對發生粗晶的鍛件進行及時的分析總結，就一定能夠逐步減少直至徹底解決鍛件的粗晶問題，為企業創造巨大的經濟效益。

［1］俞漢清，陳金德.金屬塑性成形原理［M］.北京：機械工業出版社，1999.

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［8］郭會光，田繼紅.大型鍛造的質量控制和研究方略［J］.大型鑄鍛件，2007（2）：45-46.

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［10］劉助柏.塑性成形新技術及其力學原理［M］.北京：機械工業出版社，1995.

Coarse grain is a common quality problem in forging production.Coarse-grained large forgings may not only affect the forging performance，and in serious case it may lead to discard the product.To solve this problem，the causes affecting the grains of large forgings should be analyzed in the first step and then，an in-depth discussion should be conducted for the processes covering heating，forging and post-forging heat treatment.the "Human，machine，material，method and loop"analytical method was adopted at the factors affecting the grains of large forgings and from the actual production to bring forward improvement measures.These measures have been applied in practice with sound results.

粗晶；加熱；鍛壓；鍛后熱處理

Coarse Grain；Heating；Press Forging；Post-forging Heat Treatment

TH142；TP311.52

B

1672-0555（2016）02-023-03

收入日期：2016年1月

牛東亮（1982-），男，本科，主要從事鍛壓技術工作