[发明专利]高效率消除坯料内部孔洞型缺陷的超高温软芯锻造方法

说明书

本发明属于锻造领域，具体地说就是一种高效率消除坯料内部孔洞型缺陷的超高温软芯锻造方法。该方法通过数值模拟方法确保锻造开始时钢锭的液芯率在5％左右，结合目前超高温软芯锻造实际状况提出平移式宽砧径向压实工艺：1)采用平板为上下砧将钢锭完全覆盖，采用宽砧径向压实工艺对坯料进行压下并保压；2)将上平板向冒口端移动露出锭尾一部分，采用宽砧径向压实工艺对坯料进行压下并保压；3)将上平板继续向冒口端移动，露出钢锭的一半，采用宽砧径向压实工艺对坯料进行压下并保压；4)回炉保温，采用平砧进行拔长，修整坯料外形至长方体形状，并最终锻造至目标尺寸，该方法适用于各种坯料的超高温软芯锻造过程。

技术领域

本发明属于锻造领域，具体地说就是一种高效率消除坯料内部孔洞型缺陷的超高温软芯锻造方法，它适用于各种坯料的超高温软芯锻造过程。

背景技术

大钢锭是大型锻件的母材，钢锭在浇注以及随后的凝固过程中会产生缩孔、疏松、气孔等孔洞型缺陷。在金属液浇注到钢锭模以后，与钢锭模接触的金属液将首先凝固，而心部的金属由于热传导慢将最后凝固。钢锭心部区域将逐渐形成糊状区，而此时钢锭冒口顶部表面已经凝固，导致无法对心部进行补缩，最终在沿钢锭轴线的心部区域形成缩孔和疏松等缺陷，如图1所示，从100吨核电转子用钢锭内部缺陷的实际解剖照片可见，钢锭心部区域形成的缩孔疏松呈细长条状沿轴线分布。这些缺陷由于尺寸较大，必须使用有效的锻造工艺将其锻合，否则将造成整件报废的严重后果，导致重大的经济损失。同样，对连铸坯来说，由于没有冒口对其中心缩孔疏松进行补缩，因此其中心区域通常存在严重的贯穿性缩孔疏松缺陷，采用普通锻造工艺难以使其有效愈合，通常只能使用其锻造筒类、管类件，严重限制其使用范围。为了改善锻件的致密性，大批科研人员长期致力于开发消除钢锭心部显微孔洞的“中心压实”工艺，目前已获得工业应用的工艺，如：WHF法(宽砧强压法)、FM法(心部消拉应力法)、JTS法(硬壳锻造法)、WRF法(宽砧径向压实法)等。这些工艺手段改善锻件心部应力、应变状态，促进孔洞类缺陷的愈合，通过再结晶破碎铸态组织，使锻件以无缺陷或微缺陷状态服役，提升重大装备的运行安全性。然而，由于材料成分和钢锭规格的多样性和复杂性，造成中心缺陷的大小和分布难以用统一的标准定量衡量，当前中心压实工艺尚不足以消除一些钢锭中心比较严重的缺陷。

国内外一些经典的凝固理论和实验研究，钢锭中缩孔疏松缺陷的形成是一个形核、长大的过程。最早的微型疏松往往起源于夹杂物或气泡，在随后的冷却收缩过程中，这些微型疏松在拉应力的作用下急剧长大，形成疏松甚至缩孔、缩裂缺陷。如果能在疏松形成的早期也就是凝固的末期将其愈合，并在后续体积收缩过程中创造一个三向压应力的环境，将有望彻底抑制疏松缺陷的形成和扩展，见图4。基于此分析，相关研究人员于近期开发一种针对消除中心孔洞型缺陷更为强力有效的锻造方法—超高温软芯锻造方法，首先将浇注后的钢锭带液芯超高温脱模；然后放置于保温车中均温并运送到锻压机，将钢锭带液芯实施高温保压锻造，使凝固末端树枝晶充分破碎，形成大量等轴晶组织，消除缩孔疏松，减轻枝晶偏析；最后，进行常规锻造，充分细化晶粒和组织。该方法突破常规模铸钢锭完全凝固后再锻造的方法，通过超高温带液芯脱模，创造钢锭心部流动性极好的半固态组织和表面与心部巨大的温度差，结合后续重压下及保压方法，可实现强制补缩和压力凝固，不但解决钢锭中心的缩孔、疏松、偏析等问题，提升冶金质量，而且降低冒口重量、减少锻造加热火次、延长模具使用寿命。

在目前利用超高温软芯锻造技术实际生产过程中，为了保证钢锭内部较大应变，用宽砧径向压实法(WRF)对坯料实施主变形。然而由于经过超高温脱模，热送后钢锭具有温度梯度，冒口端的温度(约1300℃)要大于锭尾的温度(约1000℃)，这就使得钢锭锭尾不容易变形，而锭身及冒口端容易变形。在实际变形压下过程中，容易造成所需变形抗力接近压机压力极限而无法变形的情况，而且由于凝固末期的液芯主要集中在靠近冒口端的中心处，如果这些残留的液芯不能在外界压力下凝固，在后续凝固过程中仍然会产生严重的缩孔疏松缺陷。

发明内容