大型圓餅類鍛件的鍛造工藝及應用

任 猛 王中安 史翔煒 鄧 軍 佟景輝

(亞洲重工集團有限公司，江蘇214128)

1 歷史回顧及RST效應

直到20世紀80年代末，大型管板、頂蓋一類的圓餅形鍛件的無損檢測合格率還仍然是個世界難題。國內各大重機廠連同國外的一些企業(yè)，管板的廢品率最高達80%以上。有時候，還出現(xiàn)整批報廢、甚至連續(xù)補投再報廢的現(xiàn)象。為此，世界各大重機企業(yè)進行了多年持續(xù)的研究攻關，先后推出了50多種工藝方法[1]，但還是不能徹底解決問題。

研究結果發(fā)現(xiàn)，由于熱加工時的摩擦系數(shù)較高，在鍛造過程中，砧子與坯料接觸表面附近存在一個三角形狀的難變形區(qū)，也稱“死區(qū)”當進砧寬度超過一定值后，上下兩個死區(qū)便連接成一片，在繼續(xù)變形的條件下，死區(qū)內部會產生層狀剛性滑動撕裂效應，定義為RST效應[2]。

根據(jù)RST效應的產生原理和防治辦法，北京重機廠于1988年推出了一系列新工藝[3、4]應用到管板、頂蓋、平蓋、鏡板、葉輪和鍛板等鍛件的生產中，創(chuàng)造了連續(xù)數(shù)年100%合格率的佳績。

然而，避免RST效應主要是針對高度尺寸較薄、截面尺寸較小的一類鍛件而言。本文將分別對薄圓餅、中厚圓餅和厚圓餅三種情況，全面論述其鍛造工藝方法及應用。

2 三種情況下的工藝準則

2.1 薄圓餅類鍛件防止RST效應的工藝準則

對于高度尺寸較小的管板一類圓餅形鍛件，在鍛造成形過程中是不用耽心鍛不透的。但是一定要避免產生RST效應，防止內部撕裂缺陷。因為對薄管板的返修改鍛是非常困難或不可能的，尤其是直徑較大的薄餅類鍛件，一旦產生內部撕裂，就只能報廢了。

所謂薄是相對的概念，與使用的砧子寬度有關，不同的砧寬對應著不同的結果。通常在成形管板時不會使用較寬的砧子，比如說使用400 mm上平砧、下轉臺鍛造管板時， 400 mm×0.80×0.85=272 mm，此時，我們將高度≤272 mm的管板都列為薄管板。在制定鍛造工藝時，可以不用刻意去考慮鐓粗拔長、壓實鍛透的工藝過程，因為該鍛件是可以邊成形、邊鍛透的。公式中乘以0.8是考慮最大進砧寬度大約為砧寬的80%左右，乘以0.85是考慮每次大約15%的壓下量，因為繼續(xù)壓下會使實際砧寬比加大，同時也向著產生RST效應的臨界條件靠近。同樣，對于500 mm上平砧，高度≤340 mm的管板為薄管板；而對于600 mm上平砧，高度≤408 mm的管板為薄管板。

在生產薄餅形鍛件的情況下，其工藝準則是可以直接拔長、下料、鐓粗、旋轉壓平、滾圓、成形。2.2 中厚圓餅類鍛件有效壓實的工藝準則

這里對中厚尺寸的定義也與砧寬有關，其上限與所使用的上平砧寬度相等。比如：

對于400 mm上平砧，中厚鍛件的尺寸范圍為：272 mm

對于500 mm上平砧，中厚鍛件的尺寸范圍為：340 mm

對于600mm上平砧，中厚鍛件的尺寸范圍為：408 mm

生產中厚尺寸的圓餅形鍛件時，不用耽心產生RST效應和內部撕裂，但是必須要考慮壓實鍛透。所以，對于中厚尺寸的圓餅形鍛件，其工藝準則是先保證壓實鍛透、再旋轉成形。采用的方法既可以是先拔長壓實下料，也可以是下料后先鐓粗，然后采用超寬砧四趟拔長壓實，最后旋轉成形。

2.3 厚圓餅類鍛件有效壓實雙保險的工藝準則

厚餅類鍛件的尺寸是指其高度大于所使用的上砧寬度。比如使用400 mm上平砧，鍛件厚度>400 mm；使用500 mm上平砧，鍛件厚度>500 mm；使用600 mm上平砧，鍛件厚度>600 mm。

制定厚餅類鍛件的工藝準則為首先保證壓實鍛透，成形時再中心雙面壓窩，也即雙保險的辦法。因為厚餅類鍛件在成形前的火次中加熱時間較長，采用雙面壓窩的好處是既可進一步增強壓實鍛透效果，又能使鍛件心部產生較大變形，防止熱態(tài)組織遺傳及產生粗晶、混晶。而且雙面壓窩可使用自制的圓臺、實心沖子、壓窩餅等。每面壓窩的深度約為坯料厚度的13%左右，直徑約為鍛件厚度的1.35倍～1.5倍左右。

3 各種圓餅類鍛件的工藝應用實例

3.1 薄圓餅類鍛件典型工藝

某管板尺寸為?3 100 mm×210 mm，鍛件凈重12 426 kg，材質20#鋼，用25 MN水壓機生產。材料選用18 t真空精煉錠，平均直徑約?1 100 mm。對于這樣薄的大型管板，在直接鍛造成形的過程中，保證變形充分、壓實鍛透是沒有問題的，但必須要重點防范的是，不能產生RST效應造成內部撕裂。其鍛造工藝如表1所示。

在薄餅類鍛件工藝的成形過程中，必須要給出最后兩步控制進砧的程序，否則極易出現(xiàn)因內部撕裂而造成報廢的現(xiàn)象。對于這兩步程序的尺寸參數(shù)，可以按常規(guī)鍛件的高度尺寸，每10 mm一檔(拔長程序可按50 mm一檔)，編制出表格，列入到工藝手冊[5～8]中去，使用起來方便準確。

3.2 中厚圓餅類鍛件典型工藝

某管板尺寸為?2 520 mm×450 mm，鍛件凈重17 596 kg，材質20MnMo，用36 MN水壓機生產。材料選用26 t真空精煉錠，平均直徑約?1 250 mm。根據(jù)中厚管板的有效壓實工藝準則，在鍛造的過程中，首先要保證變形充分、壓實鍛透，然后再合理成形、控制終鍛溫度、不產生熱態(tài)組織和粗晶混晶。其鍛造工藝如表2所示。

表1 薄圓餅類鍛件典型工藝Table 1 Typical process for thin disk forging

3.3 厚圓餅類鍛件典型工藝

某頂蓋尺寸為?3 200 mm×710 mm，鍛件凈重44 765 kg，材質20MnMo， 用60 MN水壓機生產。材料選用62 t真空精煉錠，平均直徑約?1 800 mm。根據(jù)厚管板的有效壓實雙保險工藝準則，在鍛造的過程中，首先要保證變形充分、壓實鍛透，然后在成形最后階段雙面壓窩，進一步增強鍛件的心部壓實效果，并且不產生熱態(tài)組織和粗晶。其鍛造工藝如表3所示。

4 結論

4.1 本文根據(jù)壓機在成形圓餅類鍛件時使用的最小平砧寬度，將鍛件分為薄餅、中厚餅和厚餅三種類型，給出了每種類型的工藝準則及應用實例。

表2 中厚圓餅類鍛件典型工藝Table 2 Typical process for medium size disk forging

表3 厚圓餅類鍛件典型工藝Table 3 Typical process for thick disk forging

按此方法生產，基本可確保鍛件不出現(xiàn)鍛造質量問題。

4.2 生產薄餅類鍛件時，在工藝中必須要給出最后兩趟窄進砧控制程序，以防止因RST效應產生內部撕裂。此方法也可用于大型薄壁鍛板的生產工藝中。

4.3 對于中厚和厚餅類鍛件，工藝中首先要考慮壓實鍛透，然后在成形過程中注意控制心部不產生熱態(tài)組織和粗晶、混晶。

[1] 王珊(傅耆壽).提高大型實心圓餅形鍛件的外觀和內在質量.重機制造，1986(2)：50.

[2] 任猛、張寶印.RST效應.鍛壓技術，1991(3)：5.

[3] 任猛，等.大型圓餅類件鍛造及RST效應.大型鑄鍛件，1991(4)：5.

[4] 任猛，等.制造大型優(yōu)質鍛板的工藝條件.大型鑄鍛件，1991(1～2)：18.

[5] 任猛、董金雷、王中安.優(yōu)化鍛造工藝手冊.亞洲重工集團有限公司技術文件，2000.

[6] 任猛.大型鋼錠內部孔洞性缺陷鍛合過程的數(shù)值模擬和實驗研究.清華大學博士論文，1987.

[7] 任猛、金錫鋼、王祖唐.拔長鍛造時的展寬值計算.鍛壓技術，1989(2)：8.

[8] 任猛，等.極限鍛造成形的原理及工藝應用.大型鑄鍛件，1991(1～2)：13.