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【材制視角】另辟蹊徑——“打鐵”新思路

2021-11-14 21:51 作者:青春材制 0人讀過(guò) | 我要投稿

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2021-11-12

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一．前言

????????眾所周知，金屬大鍛件是重大裝備的核心部件,鍛造質(zhì)量關(guān)系到國(guó)家安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。傳統(tǒng)的鍛造思路是“以大制大”,先通過(guò)澆注得到百噸級(jí)的鑄錠,再通過(guò)熱加工的方式制備鍛件。但由于尺寸效應(yīng),鑄錠在凝固過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種缺陷,嚴(yán)重影響最終的鍛件質(zhì)量。

????????中科院金屬研究所的孫明月團(tuán)隊(duì)突破了傳統(tǒng)的“以大制大”思路,轉(zhuǎn)而采用“以小制大”的金屬構(gòu)筑成形技術(shù),有效解決了大鍛件的缺陷問(wèn)題。

二.傳統(tǒng)思路:“以大制大”

????????原來(lái)的鍛造方式是利用沖擊力或壓力使金屬在各個(gè)方向上產(chǎn)生自由形變。通過(guò)不停地敲打鐵器,可以不斷優(yōu)化鐵器的結(jié)構(gòu),把混在其中的雜質(zhì)打碎,讓它們沿著金屬形變的方向分布,同時(shí)使金屬發(fā)生再結(jié)晶,品粒細(xì)化,使最后制成的鐵器、兵器等獲得特定的形狀且具有更好的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

????????大鍛件在鍛造之前,需先用澆注的方式得到一個(gè)更大的鋼錠,再通過(guò)鍛軋、擠壓等方式反復(fù)“敲打”加工原材料,得到最終所需的,大型鍛件。

????????然而這種方式的缺點(diǎn)非常明顯，讓我們來(lái)為你簡(jiǎn)單分析一下：

????????一是浪費(fèi)。用700噸的鋼水,澆注出600噸的鋼錠,鍛造出500噸的中間產(chǎn)品鍛坯,最后僅能得到400噸的鍛件。這種方式會(huì)造成材料和能源的嚴(yán)重浪費(fèi)，成材率通常僅為50%左右。

????????二是冶金質(zhì)量不穩(wěn)定。鋼錠的尺寸越大,冷卻速度就越慢,凝固時(shí)間也越長(zhǎng),通常需要幾十個(gè)小時(shí)。在如此漫長(zhǎng)的凝固過(guò)程中,鋼水會(huì)析出像雪花一樣的結(jié)晶。隨著時(shí)間的推移,原本均勻分布的液體不再均勻,先凝固的部分和后凝固的部分成分比例不再一致。前期澆注不當(dāng)引起的成分偏析等缺陷難以預(yù)判,會(huì)嚴(yán)重影響原材料的質(zhì)量。

三．新方法:“以小制大”

????????尺寸越大,越容易出問(wèn)題,這是顯而易見的。孫明月的團(tuán)隊(duì)通過(guò)“以小制大”的方法解決偏析的難題,他們?cè)趪?guó)際上率先提出了一種全新的材料加工技術(shù)——金屬構(gòu)筑成形技術(shù)。

????????構(gòu)筑成形技術(shù)將冷卻速度比較快、均勻性比較好的小尺寸坯件作為“磚塊”,一層層組合大尺寸坯件,以此來(lái)避免大尺寸鋼錠在緩慢凝固過(guò)程中出現(xiàn)的偏析問(wèn)題。但新的問(wèn)題也隨之出現(xiàn):“磚塊”之間應(yīng)如何連接?問(wèn)題的重點(diǎn),集中在層間的界面到底能不能完全結(jié)合在一起。即使想辦法連接上了,會(huì)不會(huì)是虛連,像千層餅一樣,一撕就撕開了?

四.如何解決“千層餅”難題?

????????層間界面能不能像皮膚一樣在破損后愈合?在做了大量的基礎(chǔ)性研究工作之后,孫明月團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了界面愈合的兩個(gè)過(guò)程。首先界面處的氧化膜是界面實(shí)現(xiàn)有效結(jié)合的最大阻礙。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),氧化膜會(huì)在高溫變形的作用下破碎,并發(fā)生分解。分解后的氧離子向遠(yuǎn)離界面的區(qū)域擴(kuò)散,并固溶到基體中,使得界面處的成分、組織結(jié)構(gòu)等與基體完全一致。