不锈钢锻件造成端面开裂及内凹的原因

       随着工业水平的不断发展，不锈钢大型锻件的需求量不断增加。我厂在采用5.4t钢锭生产锻件过程中，出现锻件端面及钳把与锭身连妾处开裂、内凹现象，随着锻造过程的延续，裂纹向锭身方向发展，导致锻件不能继续加工。

1.问题的提出

       在采用316L 不锈钢5.4t钢锭生产锻件的过程中，锻件两个端面形成严重的裂纹及内凹，其中钳把与端面的过渡区裂纹***为严重，继续锻造很可能导致钳把脱落，而且由于裂纹在锻造过程中向锻件内部延伸，***终可能导致锻件长度不够。出现以上问题的原因有以下几点：

        1）由于不锈钢材料高温塑性较差，在成形过程中金属变形不均匀，与锤头及V型砧接触区域金属变形远大于端面中心金属流动，因此在成形过程中，外围金属逐渐将靠近中心区域金属包裹，形成内凹；

 2) 不锈钢可锻温度区间在1180～900℃，坏料出炉后，锻件表面温度下降快，塑性下降，开裂倾向大；

 3）相对锭身，把与锭身连接处相对直径小，表面积大，冷却速度快，塑性差。在成形过程中钳把与锭身相接处产生应力集中，导致开裂及内凹。类似情况在不锈钢自由锻成形中比较常见，对锻件质量的影响较大，因此值得深入研究并提出相应的解决措施。

2数值模拟分析

       为了分析锻件两个端面开裂和内凹的原因，对锻件采用上平、下V型砧拔长过程进行了有限元分析。为了减少模拟时间，对模型进行了简化。由于研究的重点主要集中在锻件的两个端面，因此将锻件的长度减小为400 mm；模型直径与锻件一致为800 mm，锻件上各圆角半径均为50 mm。上下模设定为刚性体，温度300℃，锻件划分网格20000个，温度1000℃。只对一次下压过程进行分析，将下压量设定150 mm，每步下压量10 mm。平面通过该截面上锻件成形过程应力应变及损伤情况能有效的分析锻件总体的变形情况。

锻造变形过程中等效应中可以看到锻件端面开裂的主要原因。

       1）由于316L塑形较差，导致变形区域小，因此在变形区域端面成鼓形，容易开裂；

2)变形过程中，金属流动主要集中在锻件与上平砧接触的区域，而在端面中心及靠近钳把的区域几乎没有变形，因此在不断成形过程中，端面外层金属逐渐将内层金属包裹，形成内凹，形成内凹的区域应力集中造成开裂；

3）如果这些裂纹及内凹不及时处理，在反复加热和成形过程中，裂纹表面不断氧化并向锻件心部扩张，***终将形成缺陷。

4)由于316L塑形较差，可以推断在锻件压钳口及e粗的过程中，由于端面与模具接触时间较长，端面温度低，端面已产生微裂纹。若未经处理，这些微裂纹将在后续成形过程中成为裂纹源。

3 锻件结构优化

       不锈钢锻件端面开裂问题涉及到材料性能、温度控制及工艺方案的确定等多个方面。锻件结构对端面开裂有着重要的影响，确定适当的锻件结构，有助于减少开裂倾向。为了给减少端面开裂提供依据，采用数值模拟方法对影响锻件端面质量的三个因素即根部圆角R、顶部圆角R和端面斜度α以及在端面和钳把过渡区域进行分析。采用四种方案进行有限元数值模拟得到的等效应变及损伤。内凹现象，端面变形比较均匀，即增大根部圆角R，及端面斜度α有助于减少内凹及裂纹的产生；方案3金属内凹显著，方案4增加凸台没有使内凹情况得到改善。因此可以得出结论：增大根部圆角R及端面斜度α有助于减少内凹及裂纹的产生，大的顶部圆角R，增大内凹及裂纹趋势，在端面和钳把过渡区域设置台阶对内凹及裂纹无改善。

       为了达到增大根部圆角及端面斜度应采取以下工艺手段：

       1）在压钳口过程中，应有意增大根部圆角及端面斜度；

       2）在粗过程中，应采用球面粗或锥形面锹粗，锥形面的角度应比一般材料适当增大，同时加大漏盘上钳把与锭身连接处过渡圆角；

       3）控制锻件温度在合理的锻造温度内，可采用先两头后中间的拔长方法。

       4）在保证锻比的情况下，尽量减少拔次数或增大徽粗高度，以减小端面的反复变形；

       5)合理控制下压量，开始应轻压，当变形量超过30%后才能重压，每火次后及时清伤；

       6)对于已产生比较严重裂纹的锻件，可采用拔长过程避开两个端面的成形方法，避免裂纹进一步延伸。

       进一步证实，二次点蚀遵循在初生蚀孔底部形核并逐步长大的形成方式。即初生蚀孔长大到一定程度后，内壁将产生活化/钝化的转变过程，原蚀孔的长大速度减缓并可能完全停止，使得二次形核的次生蚀孔不断长大。这种钝化膜并不能使蚀孔稳定钝化，也不会让腐蚀停止发展，而是将点蚀从完全活化态转化为局部活化态，在使初生点蚀生长暂停的同时又转化为次生点蚀生长的开始。当蚀孔在一定时期处于完全活化态时，蚀孔内壁有明显的Cr元素的相对贫乏和0、Ni、Fe 等元素的相对富集，内部腐蚀均匀，不断溶解，点蚀又以初生生长方式长大。但是这种生长方式至少在某些条件下并不能完全穿透金属。此后随着Cr元素逐渐富集，蚀孔内壁将逐渐建立起新的钝化膜，这种钝化膜使孔内由完全活化态又转化为局部活化态。在结束了初生蚀孔生长方式的同时，在闭塞区域内又开始了次生蚀孔的完全活化态，孔蚀又继续进行。通过上述“初生蚀孔完全活化态——蚀孔局部活化态——次生蚀孔完全活化态”周期性的反复，两种活化态的相互转换，对应的两种腐蚀生长方式交替进行，不断的沿蚀孔底部（厚度）方向加速腐蚀，直至***终穿透金属。

3 结论

     （1）锈蚀现象系因氯含量严重超标而产生的点腐蚀所致，***大点蚀坑直径为（8~10）μm，深度为(10～12)μm，为轻度点腐蚀。

     （2）腐蚀坑只在少数局部区域分布，并非沿整个锈蚀层下面密集分布。

     （3）在确保整个试板表面（沿厚度方向）一次性打磨0.2 mm以上后，彻底杜绝了二次点腐蚀的再次发生。提高钢锭塑性，钢锭锹粗变形后也要进行小变形量表面变形操作，压实徽粗过程中环向拉应力导致的柱状晶区微细裂纹。

     （4）包晶钢对变形温度较敏感，尤其钢锭各部分温度不均导致的各部位塑性不同，变形时的拉齐作用使局部发生撕裂，因此要在高温下变形，温度不均时返炉加热。

       实际生产时采取以上方法，控制凝固参数可以取得较好效果，保证没有开裂缺陷，其它方法属于挽救措施，不能完全消除表面裂口。