Mn18Cr18N钢热变形机制的研究

Mn18Cr18N钢热变形机制的研究郭会光张巧丽陈慧琴郭亚军吴庆培王谦和胡晗光摘要依据Mn18Cr18N护环钢的热力学模拟试验所进行的热变形微观组织研究，列举出几种典型锻造规范和变形机制。试样在不同温度下热压变形，产生的微观破坏的极限变形值为：850℃-39%,950℃-46%,1050℃-53%,1100℃-40%,1230℃-47%。关键词Mn18Cr18N护环钢热变形机制锻造StudyonHotFormingMechanismofSteelMn18Cr18NGuoHuiguang,ZhangQiaoliandChenHuiqin(TaiyuanHeavyMachineryInstitute,Taiyuan030024)GuoYajun(ShanxiDeyiGroupCoLtd)WuQingpei(NortheasternUniversity)WangQianheandHuHanguang(ShanghaiHeavyMachineryGroupCoLtd)AbstractAccordingtothestudyonmicrostructureofretainingringsteelMn18Cr18Nhot-formingwiththermalmechanicstestatelevatedtemperature,theseveraltypicforgingspecificationsandformingmechanismarepresented.Atdifferenttemperature,thelimitdeformationofsteelMn18Cr18Noccurredmicro-failureareasfollows:850℃-39%,950℃-46%,1050℃-53%,1100℃-40%,1230℃-47%.MaterialIndexRetainingRing,SteelMn18Cr18N,HotFormingMechanism,ForgeMn18Cr18N钢(18-18高氮护环钢)，在锻造时，容易开裂，热成形性不好，研究工作须从基础上探讨热变形机制。目前开展的关于控制锻造，控制冷却的研究；复合成形新装置的设计；电渣熔铸环坯—控制锻造—新法液压胀形短流程工艺的开发以及围绕上述内容进行的基础理论研究，将对锻造生产的科学化产生重要的影响。1热力模拟试验试验用钢取自电渣重熔法(ESR)生产的300MW护环的坯料。化学组成如表1。坯料尺寸为Φ150mm，加热1180～1200℃锻成Φ30mm棒料。然后按图1加工成试样。表1Mn18Cr18N钢的化学成分/%Table1ChemicalcompositionofsteelMn18Cr18N/%CMnCrNSiPSCuNiAlMoVO0.08519.1919.500.630.640.0160.0020.020.080.0140.050.080.001图1试件的形状尺寸Fig.1Shapeanddimensionofspecimens用GLEEBLE-1500热模拟试验机进行热力模拟试验。热塑性及动态组织变化分两组进行：第1组，圆柱试样在热模拟机上按预定程序热变形。升温速度：30℃/s；降温速度：20℃/s；应变速率：5×10-2s-1；入水时间：0.1～0.2s。然后观察试件表面裂纹源及内部组织。第2组，将带槽试样置于恒温装置中，在电炉内加热至规定温度。在液压机上恒温热压、冷却后，腐蚀观察侧表面裂纹源。2试验结果及讨论2.1热变形塑性试样在不同温度下热压变形，产生的显微裂纹源，主要为沿晶破裂。产生微观破坏的极限变形值为：850℃-39%，900℃-38%，950℃-46%，1050℃-53%，1100℃-40%，1230℃-47%。圆柱试样与切槽试样出现裂纹源的变形值，在1230℃基本相同，而其他试验温度，切槽试样约降低10%～15%。根据对试样的微观研究和对试验数据的回归分析可得：在高温范围内塑性变化趋势是随着温度升高，热塑性提高。说明该钢在拟定的高温下成形是适宜的。在1050℃左右变形，有高塑性区出现。高于该温度或低于该温度，塑性均较低。由微观研究可知：1050℃变形动态再结晶已经进行，晶粒未及粗化。钢中碳化物充分固溶。另外，950℃变形，沿晶部位出现大量动态再结晶细粒，软化机制明显。900℃以下硬化明显，且ESR钢晶粒粗化较少。该钢在较高温度下终锻比较合适。1100℃，1230℃晶粒粗化、不均匀，塑性将下降。由于本实验测定的为萌生显微开裂的临界变形量，较宏观裂纹缺陷变形值小。所以，工程控制变形程度可增大10%～15%。2.2热变形应力—应变曲线与动态组织变化［1，2］ESR18-18钢的热变形应力—应变关系如图2所示。图2Mn18Cr18N钢热变形应力-应变曲线Fig.Stress-straincurvesofsteelMn18Cr18Nathotforming由微观组织变化可得，在850℃下热压，变形组织比较明显，950℃变形有动态再结晶迹象，如图3所示，当热压至ε=58.3%时，晶际动态再结晶明显。1050℃变形ε=59.9%时，动态组织细小而均匀。1230℃下变形，晶粒呈现粗化。图3Mn18Cr18N钢热变形动态组织变化×200(a)t:850℃，ε：57.96%(b)t:950℃，ε：58.3%(c)t:1050℃，ε：59.9%(d)t:1230℃，ε：51.67%Fig.3DynamicstructurechangeofsteelMn18Cr18Nathotforming×200(a)t:850℃，ε：57.96%(b)t:950℃，ε：58.3%(c)t:1050℃，ε：59.9%(d)t:1230℃，ε：51.67%2.3热变形静态组织Mn18Cr18N钢的热变形静态组织，主要受冷却制度的影响。试验证明：考虑热变形状态，控制水冷前的空冷时间(延时冷却时间)，可得到理想的比较细化均匀的晶粒结构。图4表示：以不同应变率()进行不同热压变形(ε)，不同终锻温度(t)成形后，经过不同的延时冷却，Mn18Cr18N钢发生静态再结晶的组织。图4Mn18Cr18N钢热变形后冷却的静态组织×100(a)t:800℃，：0.05s-1；τ：210s；ε：40.66%(b)t:950℃，：0.5s-1；τ：210s；ε：38.63%(c)t:1050℃，：0.05s-1；τ：90s；ε：47.26%Fig.4StructureofsteelMn18Cr18Nhot-formedandcooled×100(a)t:800℃，：0.05s-1；τ：210s；ε：40.66%(b)t:950℃，：0.5s-1；τ：210s；ε：38.63%(c)t:1050℃，：0.05s-1；τ：90s；ε：47.26%试验研究指出［2］：Mn18Cr18N钢，如果在应变速率为0.5s-1，变形40%，于950℃终锻，停留90s或210s后入水冷却，其组织结构比较细小均匀，这时已经发生了完全的静态再结晶。依据热力模拟与微观研究的工艺与组织的相关规律，采用有限元热力耦合数值模拟方法，分析了沿用非轴对称芯轴扩孔工艺的弊端。并开发了轴对称成形，扩挤复合成形新技术。计算显示了塑流矢量，应力-应变等场量信息的动态变化。为控制热成形，控制冷却，质量预报，短流程工艺设计，提供了科学根据与方法［1，3］。作者简介：郭会光，男，62岁，教授。1958年就读于哈尔滨工业大学机械系，主要研究大型锻造理论与技术以及塑性加工模拟与控制。曾多次获得国家级、省部级科技进步奖。作者单位：郭会光张巧丽陈慧琴太原重型机械学院，太原030024郭亚军山西德意集团公司吴庆培东北大学王谦和胡晗光上海重机集团公司参考文献1郭会光等.金属塑性加工的模拟与控制研究.太原重型机械学院学报，1997，(3)：1952吴庆培.护环钢控制锻造与控制冷却.太原重机学院硕士论文，19943郭会光等.制造高强钢护环新工艺流程的研究.大型铸锻件，1996，(1)：20收