外筒鍛件低倍粗晶成因分析及解決

文／江斌，謝帥，楊宏偉·航空工業江西景航航空鍛鑄有限公司

粗晶缺陷是鋁合金模鍛件常見缺陷之一，它降低鍛件的強度。在鍛件的粗晶組織以及由粗晶組織向細晶組織急劇變化的過渡區，鍛件的疲勞強度降低。我公司生產的鋁合金模鍛件外筒（圖1），下料規格為φ200mm×500mm，材料為LD10，已經連續兩批出現低倍粗晶問題，嚴重影響交期，引起客戶的抱怨。本文主要討論在鋁合金模鍛件生產過程中避免或減少粗晶缺陷的措施。

圖1 鍛件實物

問題描述

該鍛件產品連續兩批終檢理化檢測時發現低倍粗晶，低倍照片如圖2所示。不能滿足技術協議要求（低倍粗晶應不大于GB/T 3246.2-2000中圖6中4級要求，允許少量粗晶達到圖7中5級要求)，整批報廢。

原因分析

⑴原材料粗晶環的影響。

圖2 17KH、18KH批低倍粗晶照片

粗晶環在變形時不易充分破碎導致回復與再結晶時呈弓形向金屬內部長大，最終導致鍛件粗晶。

⑵化學成分的影響。

當合金中含有Fe、Mn、Cr、Zr等元素時能生成FeAl3、MnAl6、CrAl3等彌散相，可阻礙再結晶晶粒均勻長大，但加熱至高溫時少數晶粒晶界上的彌散相因溶解而首先消失，這些晶粒就會率先急劇長大，形成少數極大的晶粒。LD10牌號合金屬Cu-Al基合金，其所含的Fe、Mn元素是少量的，且不含Cr、Zr元素，無法形成較多的彌散相。這就為該鋁合金在熱加工時產生粗晶埋下了隱患。

⑶變形量及變形程度的影響。

當變形劇烈且變形量落入臨界變形區仍繼續鍛造易產生粗晶。

⑷終鍛溫度的影響。

當終鍛溫度低于380℃仍繼續鍛造，特別是溫度低于350℃時該合金極易產生粗晶。

基于以上四點分析，結合鍛件生產工藝流程：原材料復驗→下料→電爐加熱(溫度470℃，裝爐量≤6件，保溫300～660min)→3t自制坯→酸洗→打磨→電爐加熱(溫度460℃，裝爐量≤6件，保溫230～580min)→10t模鍛一火(欠壓9～10mm)→割邊→酸洗→打磨→電爐加熱(溫度460℃，裝爐量≤6件，保溫230～580min)→10t模鍛二火(欠壓6～7mm)→800t切邊→酸洗→打磨→熱處理→終檢→合格入庫。通過比較，該批投入生產原材料無粗晶環，滿足要求。自由鍛制坯變形量在45%～60%，模鍛每火次變形量在30%左右，沒有落入臨界變形區，也符合要求。自由鍛制坯階段一件原材料從出爐到制坯結束，需要9～10min，模鍛生產一件鍛件需要5～6min，根據經驗，鋁合金溫降速率約1℃/3s，自由鍛與模鍛生產結束時，終鍛溫度均低于350℃，是引起最終鍛件粗晶的主要原因。

為了驗證我們的分析：終鍛溫度過低是導致鍛件粗晶的主要原因，我們做了工藝試驗，試驗方案為：按工藝要求投產1件加長鍛件，自由鍛制坯結束后，分別鋸下大端、小端進行低倍檢測（圖3），剩余毛坯按工藝繼續生產，最終解剖鍛件低倍檢測。對鍛件粗晶的產生進行再現。

圖3 工藝試驗低倍取樣圖

制坯后分別沿M-M1，N-N1切取低倍試樣，經固溶后，低倍檢測，結果如圖4所示。

圖4 低倍試樣取樣實物

模鍛結束后，鍛件低倍結果如圖5所示。

從圖4、圖5中我們可以很清楚的看到，自由鍛制坯存在鍛件表面粗晶，模鍛后，表面粗晶向鍛件內部擴展。鍛件低倍粗晶確因終鍛溫度過低導致。

⑸鍛模預熱溫度。

模具溫度過低會加速型腔內金屬冷卻，從而使金屬的變形溫度過低，令金屬難以充滿型腔且可能在鍛件表面形成粗晶。模具的預熱溫度與鍛件的形狀與合金牌號有關，根據LD10的材料特性，模具預熱溫度定為350℃，保溫時間＞4h。

圖5 鍛件低倍結果

圖6 毛坯低倍組織

圖7 19KH低倍組織

解決措施

優化、細化工藝流程，完善工藝參數設置。改進后的工藝流程：原材料復驗→下料→電爐加熱(溫度460℃，裝爐量≤7件，保溫280～420min)→3t自制坯(分兩火次進行，一火鍛造時間控制在4.5min內，二火鍛造時間控制在3.5min內)→酸洗→打磨→電爐加熱(溫度460℃，裝爐量≤12件，保溫210～400min)→10t模鍛一火(欠壓12～15mm)→割邊→酸洗→打磨→電爐加熱(溫度460℃，裝爐量≤12件，保溫180～300min)→10t模鍛二火(欠壓≤3mm)→800t冷切邊→酸洗→打磨→熱處理→終檢→合格入庫。

工藝優化后，根據需要，進行了小批試制驗證。19KH批次從下料到交付的所有環節均符合新版工藝的要求，且工藝、技術、質量相關人員全程跟產。最終產品全部合格交付用戶。19KH批次投產時多投一件進行工藝試驗，其制坯階段的整體低倍如圖6所示。

工藝細化后，制坯階段采用兩火次成形，可以有效防止終鍛溫度低于350℃鍛造產生粗晶。事實驗證，工藝調整后，毛坯低倍組織，晶粒細而均勻，無粗晶。終檢試驗件經解剖低倍檢測合格，如圖7所示。從圖中可以看出，最終鍛件低倍組織均勻合理分布，滿足客戶要求。

結論

⑴原材料若有粗晶環，必須通過機加排除干凈；

⑵保溫時間嚴格按工藝要求執行，達到最小保溫時間必須出爐鍛造；

⑶自由鍛制坯階段分兩個火次完成，一火生產時間控制在4.5min以內，二火生產時間控制在4min以內；

⑷明確模鍛火次為兩火，不允許隨便增減火次，一火后保留欠壓15mm，二火欠壓≤3mm。