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发表于 2013-5-15 16:46:00
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护环变形强化过程中的质量问题及提高质量的措施
护环经过奥氏体化处理后导磁性较低，但其强度尚不能满足使用要求，所以需要进一步做强化处理，以提高机械性能。采用合金化、沉淀时效及变形强化等方法，都可以强化护环的性能。目前，我国多采用变形强化方法。
变形强化是利用金属在塑性变形时产生的加工硬化现象来提高钢的屈服强度。
强度指标的提高通常认为是由于：①沿滑移面上的晶格歪扭（畸变）和滑移面附近晶格的破碎，增加了位错移动的阻力。在变形强化过的护环试片上可以观察到大量双华移、多系滑移和双晶；②随着变形量增大，晶粒进一步“碎化”成许多位向略有不同的小晶块（又叫亚晶粒或镶嵌快，变形之前晶体中即已存在的较大亚晶粒，变形使其进一步细化），沿晶界也就是位错集中的地带。由于亚晶界中大量位错的集聚，对于位错的进一步移动造成较大的困难；③在金属塑性变形时，沿滑移面上析出超显微的异相质点，阻碍了位错移动的进行。例如，钢塑性变形时沿滑移面析出超显微的碳化物。目前，国内应用较多的变形强化方法有半热锻、冷胀孔、冷扩孔及爆炸强化等等。实践证明：这些方法能够提供合格的护环锻件。但在生产过程中，各种生产方法也曾出现过一些质量问题，有的问题甚至影响了某种强化工艺的发展与应用。
变形强化时常见的质量问题是性能不均匀和存在残余应力。下面要结合芯棒半热锻、冷扩孔强化和爆炸强化进行分析。对2.5万千瓦半热锻护环所进行的试验和解剖情如下：
护环的化学成分：0.52％C，0.67％Si，18.4％Mn，4.73％Cr，0.014％S，0.042％P。
半热锻温度：650~400℃。实际变形程度：35.9％。半热锻时间：47min。护环半热锻后水冷至室温。
护环解剖后结果分析：
①护环的屈服强度（σ0.2）内圈最高，壁厚中间次之，外圈最低，这是由于内圈实际变形程度大于外圈的缘故。
护环同一圈的屈服强度，两端高，中间低。这种沿高度的机械性能不均匀分布，主要是水淬时两端温度低，中间温度高。同时锻压扩孔变形时，由于芯棒的挠曲变形使护环两端变形量大于中部的缘故。
②护环的残余应力：外圈的端部为 －11.88kgf/mm²，内圈端部为 －14.80kgf/mm²。
在芯棒上锻造的护环，一般残余应力较大，引起的废品率也较高，它与压下量的控制、工具的刚度、每次转角的大小和均匀度以及温度分布等有关。该环内圈残余应力大于外圆，是由于内圈变形程度大于外圈所致。
芯棒上冷扩孔的护环质量问题，目前也主要集中在性能不均和残余应力较高，其分布规律和产生的原因与半热锻时大致相同。
爆炸成形的3000千瓦Mn18Cr4钢护环的机械性能不均匀情况是两端的强度指标较中间高，这是由于端部变形较剧烈的缘故。
两炮爆炸强化的3000千瓦护环的残余应力分布情况是，轴向残余应力高达64kgf/mm²，接近于护环的屈服强度。这是因为采用两炮爆炸时先使一端胀大，然后再胀大另一端。在一端胀大变形时，另一端直径发生收缩，沿护环高度产生拐点。由于这种附加的弯曲，便引起了较大的残余应力。某厂用两炮变形工艺生产的大型护环，发生自燃置裂，就是因为残余应力过大，超过了强度极限的缘故。
由上述试验情况可知，无论是机械性能不均或残余应力过大，主要是由变形不均引起的。因此要解决这两方面的问题，可以从下列几方面着手：
①在变形强化过程中，采用适当的工具和工艺参数并改进操作方法。例如，在芯棒上半热锻和冷扩孔护环时，采用砧面硬度较高的窄砧、增加芯棒直径、缩短马架跨距、均匀地控制压下量和送进量、以及采用合理的水淬方法，减少温差等，均可以改善变形的不均情况，提高性能分布的均匀性和减小残余应力。生产实践表明，在最后两遍压缩时，均匀地采用小压下量和小的转角，可以获得良好的效果。
在爆炸强化时，采用合适的边界条件、药包形状、恰当地布置药位。例如，采用一炮爆炸强化（沿轴向各处直径只发生胀形，没有缩颈，且外母线弯曲挠度比较小，也可以改善变形分布不均的情况，达到机械性能分布均匀和减小残余应力的目的。从一炮爆炸的护环残留应力分布情况看，采用一炮爆炸比两炮爆炸有显著改善。另外，两炮爆炸强化时采用拐点外移的工艺（即减小第一炮爆炸后环坯的锥度，使第二炮爆炸时的拐点移至环坯外） ，也可以显著降低残余应力。
②对残余应力较大的的护环锻件，可以采用低温回火和小变形量再次塑性变形的办法，降低残余应力。采用低温回火工艺，还可以起到稳定护环几何尺寸的作用。
采用低温回火与小药量爆震相结合的办法，对降低残余应力也有一定效果。
冷胀孔强化的护环由于护环两端回弹不一致，变形不均，引起残余应力。如再过一次冲子，重复一次变形，减小上下两端面回弹率的差值，就可以减小不均匀变形和残余应力。例如，对3000千瓦冷胀孔强化的护环进行实测，先离开模具的下端回弹率为1.95~2.16％，而上端回弹率则为0.87~1.26％，残余应力高达14~39kgf/mm²，经用上述方法处理后，机械性能和残余应力均满足了要求。
③采用变形比较均匀的成形工艺
用液压胀形法生产发电机护环，是当前国内外生产护环的一种最新工艺。我国正在进行试验研究，并取得了一定成效。
液压胀形，是利用高压液体在护环筒坯内壁加压，使之产生胀形强化。采用液压胀形，由于沿高度变形均匀（这一点是其它变形强化方法都不能比拟的），所以残余应力很小，机械性能比较均匀。
液压胀形时，由于环坯的扩胀变形主要靠环内高压液体的作用，如果液体不能达到足够高的压强，变形必然集中于环坯的上、下开口端，结果使环坯呈现明显的“双喇叭”形。这样的成形件是不合要求的。解决这个问题的主要关键，在于模具工作面型线的正确设计和加载速度的合理确定，使开始阶段液体就能迅速达到足够的强度。在设计模具工作面型线时，应保证满足以下条件：在加压行程的每一瞬间，由于上下模具互相靠近所排出的液体体积，应该等于和稍大于由于环坯的直径扩张而增大的空间容积。如果由于模具的α角较大和设备加载速度较慢，以致不能迅速建立足够高的压强时，为保证环坯均匀地变形，应在环坯的内端角做成适当的圆角或斜角，以建立适当高的阻力环。这对增加环坯端部的变形抗力，避免形成“双喇叭”形是很有效的。 |
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发表于 2013-5-11 11:29:51
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发表于 2013-5-11 12:26:36
