大型锻件高温扩散的均匀化机制及其影响的研究

高温扩散是大型锻件生产中的重要工艺，需要在高温下长时间对钢锭、坯料进行加热，天然气等资源消耗量极大。在我国大型锻件需求量猛增、节能减排压力增大、生产设备不足的背景下，锻造企业亟需优化高温扩散工艺。我国锻造企业从国外引进该工艺时，只笼统地得知高温扩散有利于提高锻件质量，但该工艺的机理并不明晰，存在着诸多问题和争议，如高温扩散对钢锭成分分布、组织、力学性能的影响规律如何，是否所有产品都需要进行高温扩散，设计在哪个环节更为合理，等等。本项目拟从扩散原理出发，建立基于偏析比的枝晶偏析均匀化数学模型，研究加热温度、保温时间对合金元素分布的影响，并通过实验分析高温扩散对成分分布、组织、力学性能的影响规律，形成一套确定高温扩散工艺具体参数的方法。本项目对于完善大型锻件的锻造工艺具有重要的理论和实践意义，同时研究成果能直接运用于生产，具有重大工程价值。

大型锻件生产中经常使用高温扩散工艺，其目的是通过对钢锭、坯料高温下长时间的加热，以期消除或减轻合金元素的不均匀分布，改善钢锭的热加工性能，并提高锻件的力学性能。然而，金属材料在高温下长时间加热，也将产生氧化、脱碳、过热甚至是过烧等问题，影响锻件的性能，甚至导致产品的报废。另外，钢锭、坯料在加热炉中长时间的保温，也将占用设备资源，降低劳动生产效率。. 目前，对高温扩散的认识还较为浅显，导致该工艺的使用仍存在诸多争议。. 本项目以30Cr1Mo1V钢为材料，通过大量的理论分析与系统的实验工作，研究了高温扩散对合金元素分布影响，建立了枝晶偏析的均匀化数学模型， 分析了高温扩散对组织、热加工性能、产品最终力学性能的影响规律，给出了基于理论分析与实验结果的30Cr1Mo1V钢高温扩散工艺制定方法。得到了如下主要结论：. (1)建立了基于Guass解形式的枝晶偏析的均匀化数学模型，为预测高温扩散对成分分布均匀程度的影响提供了理论依据，并给出了Mo元素在30Cr1Mo1V钢中的扩散系数D以及各变形温度下均匀化数学模型。. (2)随着加热温度升高，保温时间增加，钢锭中枝晶组织逐渐模糊，直至完全消失，30Cr1Mo1V钢铸态组织中合金元素分布的不均匀程度逐渐减轻，且高温扩散可消除因枝晶偏析与锻造产生的带状组织。锻前高温扩散对热处理后锻件的晶粒尺寸影响较小，但锻后进行高温加热，易导致晶粒、组织粗化，影响韧性、强度。. (3)加热温度、保温时间对热处理后30Cr1Mo1V钢屈服强度、抗拉强度影响的规律性不明显；锻前高温扩散对强度影响不大，而锻后高温扩散可提高横向强度、降低纵向强度。高温扩散对30Cr1Mo1V钢塑性无显著影响。若锻前进行高温扩散，30Cr1Mo1V钢的冲击韧性将有所提高，只在锻后进行的高温扩散大都降低了冲击韧性。. (4)高温扩散对铸态30Cr1Mo1V钢热加工过程中的流变应力基本无影响。低温锻造时，高温扩散对高温塑性和断裂极限C的提高无益，高温锻造时，高温扩散可提高。因此，可在锻造温度较高时使用锻前高温扩散，以提高30Cr1Mo1V钢转子锻件的可锻性和生产效率。. (5)高温扩散工艺的制定需要针对不同材料、不同性能要求区别对待，在理论分析与实验结果的基础上给出临界条件，并确定合适高温扩散工艺的范围。