变截面超高强韧钢核心部件传统成形工艺为自由锻造开坯和实心径向锻造成形, 后续钻孔加工并调质处理。在开坯阶段采用“三维十字” 镦拔和同方向“三镦三拔” 方式进行研究, 其屈服强度达到1350 MPa 时, 仅有42. 9%部件的-40 ℃冲击功达到25 J, 为此造成了超高强韧钢性能储备低, 材料的潜力不能被充分挖掘的困境。热变形是产品成形、组织控制、缺陷控制、性能调整的重要环节, 金属在热加工过程中, 内部不仅存在着流动, 同时也发生着微观组织变化, 这对金属的性能有着很大的影响。热变形环节控制不当会导致材料在变形过程中出现开裂、晶粒粗大、有害第二相析出等问题, 最终影响产品性能。 核心部件采用液压机自由锻造, 液压机自由锻造的优点是易于获得较大的工作压力、行程和空间,工作压力和工作速度可根据需要进行调整, 且工作平稳、无冲击; 其不足之处是锻造中不可避免地出现横向宽展和由此而引起的拉应力, 更严重的缺点是生产效率较低。精锻机又称径向精密锻造机, 采用多个锤头在变形材料的同一断面上同步地径向锻打, 使变形区内的金属处于压应力状态下产生径向压缩轴向延伸, 有利于提高金属材料的塑性, 也有效地避免了所锻材料表面裂纹的产生和扩展。
内蒙古北方重工业集团有限公司的360 MN 黑色金属垂直挤压机是极端制造的强力装备, 通过三向压应力在短时间内快速成形, 有效破碎钢锭的铸态组织, 闭合凝固缺陷, 但缺点是挤压变截面核心部件时最终成形精度尺寸不太理想。奥地利GFM 公司设计的16 MN 精锻机最大锻造力能够达到1800 t,锻造频率达到每分钟60~240 次, 而且整个锻造过程处于等温状态一火完成, 减变率可达16%, 锻件精度高、质量好, 锻造一支身管仅需10~15 min,可降低过程中各部位温差, 能较好地彻底解决粗晶、混晶现象。但是缺点是“累积变形” 小, 对于大型钢锭需要增加开坯工序。因此, 通过设置合适的挤压、精锻工艺参数可以综合发挥挤压机、精锻机的设备优势, 将难变形金属的材料潜力充分挖掘,提高超高强韧钢部件的性能储备。
为了研究挤压开坯变形及径向锻造方式对宏观金属流动及微观组织演化的影响, 对32CrNi3MoVE高强度钢通过挤压同等外径的实心棒料和空心管坯,后续采用精锻机进行实心锻造、径向缩管锻造、径向带芯棒空心锻造, 制备同等形状和尺寸的变截面部件锻件, 经加工和热处理后进行性能和组织的对比分析。
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实验材料
1. 1 实验材料及原始组织
实验所用材料为32CrNi3MoVE 高强钢, 合金元素Mn、Si、Ni、Cr、Mo、V 的总含量达到5. 81%,其化学成分如表1 所示, 金相照片如图1 所示, 其中, 带状组织为2. 0 级, 5. 0 级晶粒占70%, 7. 0 级晶粒占30%。
1. 2 高温流变行为及热加工图
为了了解32CrNi3MoVE 高强钢的热加工性能,将32CrNi3MoVE 高强钢加工为尺寸为Φ8 mm ×12 mm 的试样, 然后在热模拟机Gleeble3500 上进行热压缩实验。实验程序为: 首先以10 ℃ ·s-1的速度加热至1250 ℃, 保温180 s; 然后以10 ℃ ·s-1的速度冷却至不同变形温度(850、950、1050、1150 和1250 ℃), 保温30 s, 以消除试样内外温差; 最后以不同应变速率ε· (0. 01、1、5 和10 s-1)压缩变形后快速水淬, 变形量为50%。具体工艺路线如图2 所示, 不同变形条件下的真应力-真应变曲线如图3 所示。由图3 可知, 应变速率为0. 01s-1条件下锻造变形温度高于1150 ℃时有明显的动态再结晶特征, 锻造变形温度低于1050 ℃时的变形以回复过程为主, 在1~10s-1应变速率下变形, 回复和加工硬化特征明显。
基于32CrNi3MoVE 高强钢的真应力-真应变曲线, 采用动态材料模型(Dynamic Materials Model,DMM) 方法构建不同应变条件下的热加工图, 如图4 所示。图4 中阴影区为流变失稳区, 等值线上的数字表示功率耗散系数η。由图4 可知, 失稳区主要集中在950 ℃以下及高应变速率区域, 可加工区域在温度较高、应变速率较低区域。效率最高的区域位于变形温度约为1220 ~ 1250 ℃、应变速率为0. 1~0. 5 s-1 条件下, 能量耗散系数约为40 ~ 58。