筒類鍛件的鍛造工藝

馬廷威 葉妮佳 王玉紅 劉志華 馬 謙 劉 巍

(1.中冶京誠(營口)裝備技術(shù)有限公司，遼寧115004； 2.渤海石油裝備巨龍鋼管南京公司，江蘇210061)

筒形件是鍛造行業(yè)中的一個重要種類。隨著我國重型裝備制造業(yè)的發(fā)展，大型筒類零件的應(yīng)用越來越多，這就給大型自由鍛行業(yè)提供了難得的商機(jī)。但是由于大型筒類零件的重量大，工藝復(fù)雜，鍛造工序多，容易出現(xiàn)質(zhì)量問題，也給鍛造帶來了很大的難度。

我公司訂購了一種大型筒類件，材質(zhì)為20SiMn，鍛件的重量為52 890 kg，需要使用83 t鋼錠生產(chǎn)，利用率為63.7%。設(shè)備采用80 MN液壓機(jī)，鍛比為3.4。鍛件圖見圖1。交貨要求：(1)硬度≥140 HBW；(2)常溫力學(xué)性能：Rm≥470 MPa，Rp0.2≥260 MPa，A5≥16%，Z≥30%，AKV≥24 J；(3)超聲檢測按ASTM A 388 05執(zhí)行。

圖1 鍛件圖Figure 1 Forging drawing

1 準(zhǔn)備

1.1 化學(xué)成分

為了更好的控制鍛件質(zhì)量，在成本允許范圍內(nèi)盡可能降低S、P等夾雜。內(nèi)控化學(xué)成分要求見表1。

表1 鍛件的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of forging (mass fraction,%)

1.2 冶煉及工藝路線

為了保證順利生產(chǎn)出合格的鍛件，鋼錠采用真空冶煉、真空澆注的方法，以提高鋼水的純凈度，減少鋼錠的偏析、縮孔等缺陷。

工藝路線為：電爐(真空冶煉)→鑄錠(真空澆注)→熱送鍛造廠→鍛造→鍛后熱處理→檢驗→無損檢測→力學(xué)性能試驗→粗加工→交貨。

2 鍛造工藝

2.1 工藝的分析

鍛件外圓直徑為?2 480 mm，高度H=1 995 mm。本廠83 t鋼錠實際情況為：八棱，小頭1 625 mm，大頭1 880 mm，錠身高3 155 mm，錠身重64 830 kg。根據(jù)鍛件的形狀可以采用以下兩種工藝方案：

方案一，按照圈類件鍛造，只需要鐓粗到鍛件的高度，然后經(jīng)過擴(kuò)孔工序即可完成。

第1火次：壓鉗口，倒棱，拔長到?1 650 mm，長度約3 780 mm，下料?1 650 mm×3 450 mm，水口切除150 mm。

第2火次：鐓粗鋼錠至H=2 300 mm、?2 000 mm左右，沖?850 mm孔，平端面。

第3～4火次：擴(kuò)孔至鍛件尺寸，精整出成品。

方案一的鐓粗比為1.4，擴(kuò)孔比為1.2，鍛比太小不能滿足鍛件性能的需要。在第2火次沖孔的時候由于鍛件高度太高，容易沖偏，造成廢品。

方案二，按照筒類件鍛造，則需要鐓粗到一定高度，然后經(jīng)過拔長、擴(kuò)孔工序即可完成。

第1火次：壓鉗口，倒棱，拔長到?1 650 mm，長度約3 780 mm，下料?1 650 mm×3 400 mm，水口切除200 mm。

第2火次：鐓粗鋼錠至H=1 000 mm、?2 990 mm左右，沖?850 mm孔，平端面。

第3～4火次：拔長至長度約2 000 mm，擴(kuò)孔至鍛件尺寸，精整出成品。

方案二的鐓粗比為3.4，拔長比為1.5，使用空心沖子沖孔，把鋼錠中心位置質(zhì)量不好的部分去除，能夠滿足鍛件性能的需要。

通過綜合分析以上兩種方案，決定采取第二種方案。為了保證鍛件的力學(xué)性能和無損檢測要求，鍛合鋼錠內(nèi)部的孔洞與疏松，破碎鋼錠中的鑄態(tài)組織，獲得性能良好的鍛件，采用大的鐓粗比和空心沖孔。

2.2 鍛后正回火工藝

鍛后采用正回火，工藝如圖2所示。通過鍛后正回火處理，細(xì)化晶粒，消除組織應(yīng)力，達(dá)到要求的力學(xué)性能。

圖2 熱處理工藝Figure 2 Heat treatment process

2.3 檢驗

正回火后，對鍛件進(jìn)行檢驗。長度尺寸稍微超差，外徑合格，內(nèi)徑端部有裂紋，但不影響零件尺寸。按照ASTM A 388 05規(guī)定進(jìn)行檢測，結(jié)果符合零件的要求。劃線，粗加工，按照圖紙要求進(jìn)行取樣(圖3)。取切向試樣：兩組拉伸試樣(每組一拉三沖)，兩組軸向試樣(每組一拉三沖)。經(jīng)過試驗，力學(xué)性能符合要求。

圖3 力學(xué)性能取樣圖Figure 3 Sampling drawing for mechanical property test

3 鍛造容易產(chǎn)生的缺陷及預(yù)防措施

3.1 端面不平

鍛件端面不平是筒類件常見的問題，造成原材料的浪費(fèi)和機(jī)加工時的增加，所以在沖孔和擴(kuò)孔后盡可能的進(jìn)行平頭。

3.2 端部裂紋

造成端部產(chǎn)生裂紋的原因有很多，如鍛造時芯棒導(dǎo)熱，端面與空氣接觸，造成端面溫度降低，當(dāng)鍛件來回翻轉(zhuǎn)的時候，在應(yīng)力的作用下就會產(chǎn)生裂紋。因此鍛造時盡可能的先鍛造兩端，然后再進(jìn)行中間部分的鍛造，這樣能在一定程度上減輕裂紋的程度[1]。

3.3 內(nèi)表面裂紋

沖子或芯棒的表面不光滑，沖孔時內(nèi)表面產(chǎn)生小裂紋，芯棒拔長時裂紋不斷擴(kuò)展。因此要重視沖子外徑的光滑程度，減少裂紋的產(chǎn)生。

3.4 壁厚不均

沖子沖孔時沖偏，加熱溫度不均勻，鍛造力不均勻及工人操作水平等都會造成壁厚不均。因此避免沖偏，保證加熱溫度均勻，鍛造力趨于一致都會減少壁厚不均的程度[2]。

4 結(jié)論

通過雙真空冶煉鑄錠控制鋼錠的原始缺陷，采用合理的工藝方案，提高了鍛件的內(nèi)部質(zhì)量，制造出力學(xué)性能和無損檢測均符合要求的鍛件。

[1] 柳永宏. 大型長筒鍛造經(jīng)驗[J].大型鑄鍛件，1998，2：25-26.

[2] 紀(jì)勇. 長筒類鍛件常見質(zhì)量問題與解決方法[J].大型鑄鍛件，2008，4：46-47.