UOE焊管預(yù)彎邊模具用新材料開發(fā)與模具制造

李新文，周貴德，李建新，蘇其雙

（1.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900；2.山東省四方技術(shù)開發(fā)有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

預(yù)彎邊是UOE焊管生產(chǎn)線的主要工序之一，其目的是完成鋼板兩邊的預(yù)彎曲變形，使鋼板兩邊的彎曲半徑達(dá)到或接近成品管半徑，從而保證直縫埋弧焊鋼管焊縫區(qū)域的幾何形狀和尺寸精度。

現(xiàn)在的預(yù)彎邊工序一般采用模壓式預(yù)彎邊工藝，采用該工藝可得到十分理想的板邊形狀，有效地防止焊縫“噘嘴”和擴(kuò)徑開裂［1-2］。模壓式預(yù)彎邊機(jī)采用具有一定曲線和長度的上、下壓模。成型時，上壓模固定，下壓模由液壓缸驅(qū)動將鋼板邊部向上壓制，使鋼板邊部按照設(shè)定的曲率發(fā)生彎曲變形。根據(jù)模具長度的不同，經(jīng)過多次壓制完成一張鋼板的彎邊操作。

1 寶鋼股份預(yù)彎邊機(jī)及其模具特點

寶山鋼鐵股份有限公司（簡稱寶鋼股份）Φ1 422 mm UOE機(jī)組的預(yù)彎邊機(jī)由兩個相對布置的機(jī)架組成，機(jī)架可以根據(jù)鋼板的不同寬度相對移動，機(jī)架中安裝有預(yù)彎邊上、下壓模，單側(cè)下壓?；蛏蠅耗Ｓ汕昂?塊模具拼接而成。寶鋼股份Φ1 422 mm UOE機(jī)組的預(yù)彎邊機(jī)有以下特點［3］：

（1）壓力大。該預(yù)彎邊機(jī)壓力達(dá)到40 MN，可保證產(chǎn)品的高鋼級和大壁厚生產(chǎn)要求，同時可實現(xiàn)大步幅操作。據(jù)有限元分析計算，板厚為31.8 mm的X100鋼級管線鋼的極限彎邊力達(dá)到38MN。

（2）每步的步幅大。該預(yù)彎邊機(jī)模具的總長為5 700 mm、有效長度約4 900 mm，對于18 m的鋼管只需4步即可完成全長彎邊操作。彎邊步數(shù)的減少意味著生產(chǎn)效率的提高，同時減少成型過渡帶的數(shù)量，有利于產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

（3）模具規(guī)格少。該預(yù)彎邊機(jī)只需配5套上下模具，即可覆蓋Φ508～1 422mm規(guī)格產(chǎn)品的預(yù)彎邊。Φ1 422mm UOE焊管預(yù)彎邊模具的結(jié)構(gòu)和受力情況如圖1～2所示。

圖1 Φ1 422mm UOE焊管預(yù)彎邊模具的結(jié)構(gòu)示意

圖2 Φ1 422mm UOE焊管預(yù)彎邊模具的受力情況

為匹配寶鋼股份的40 MN級預(yù)彎邊機(jī)，需從德國引進(jìn)鍛造合金模具鋼上、下壓模，該模具鋼的化學(xué)成分見表1。經(jīng)現(xiàn)場檢測，該模具的表面硬度為 50～60 HRC。

表1 德國鍛造合金模具鋼的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

上壓模與下壓模安裝在模座內(nèi)，兩者配合嚴(yán)密，工作時的壓應(yīng)力完全作用于模座。從模具的受力和服役狀況來看，Φ1 422 mm UOE機(jī)組預(yù)彎邊模具的失效形式為磨損。預(yù)彎邊模具在使用過程中主要承受壓應(yīng)力下的滑動摩擦，其主要的力學(xué)性能指標(biāo)是沖擊韌性和耐磨性能。

德國鍛造合金模具鋼的化學(xué)成分類似于中國的Cr12Mo1V1、美國的D2鋼、日本的SKD11鋼，是國際上廣泛應(yīng)用的高碳高鉻型冷作模具鋼，屬萊氏體鋼，具有較高的淬透性和耐磨性，截面尺寸在300～400mm可淬透，但韌性較差（由于含有大量的共晶碳化物），廣泛用于生產(chǎn)要求耐磨性很高但沖擊載荷較小的冷作模具［4］，可制造各種高精度、長壽命的冷作模具、刃具和量具。

該模具鋼的冶煉純凈度要求高，采用電爐和真空精煉，大型模具的鍛坯一般釆用電渣重熔制得。該鋼可鍛溫度區(qū)間較窄（起鍛溫度為1 000℃，終鍛溫度為850℃），熱處理難度大、要求高。Φ1 422 mm UOE機(jī)組預(yù)彎邊機(jī)的上、下壓模均屬細(xì)長件，需經(jīng)多次反復(fù)加熱、鍛造才可完成；同時，由于批量小很難形成模鍛。細(xì)長鍛件一般只拔長而很難鐓粗，造成工件各向異性顯著，力學(xué)性能可相差一倍多。采用與德國鍛造合金模具鋼相同化學(xué)成分的Cr12Mo1V1鋼，鍛造HFW焊管工藝用軋輥實物，沿鍛造方向（軸向）和垂直于鍛造方向（徑向）分別取樣檢測，檢測結(jié)果見表2［5］。而且相對于HFW焊管工藝用軋輥，Φ1 422 mm UOE機(jī)組預(yù)彎邊模具的體積大、形狀不規(guī)則，采用鍛造模具鋼制造工藝復(fù)雜、能耗高、材料利用率低、成本高。

文獻(xiàn)［6］分析了4種軋輥材料（國產(chǎn)Cr12MoV、9Cr2Mo、GCr15，德國X165CrMoV12）的組織及其耐磨性，分析認(rèn)為高硬度（≥60 HRC）材料的沖擊性能都較低。

寶鋼股份Φ1 422mm UOE機(jī)組預(yù)彎邊模具的服役時間長、磨損嚴(yán)重、無備件，迫切需要采購新模具；但該模具均為德國制造，其制造周期長、費用高，采購流程繁瑣。因此，需進(jìn)行預(yù)彎邊模具的國產(chǎn)化研制。

表2 HFW焊管工藝用Cr12Mo1V1鍛造軋輥在不同方向上的力學(xué)性能

2 預(yù)彎邊模具國產(chǎn)化研制

目前，國內(nèi)對預(yù)彎邊工序的研究主要集中在不同預(yù)彎邊模具條件下的預(yù)彎邊寬度設(shè)定，而對模具選材及制造工藝的研究較少［7-10］。鑒于上述情況，寶鋼股份與山東省四方技術(shù)開發(fā)有限公司（簡稱山東四方）分析了Φ1 422 mm UOE預(yù)彎邊機(jī)上、下壓模的服役條件，汲取了高鉻合金軋輥成功替代D2、X165CrMoV12、SKD11 鍛造軋輥的經(jīng)驗［11-12］，最終制定出新型多元合金化高鉻合金的“以鑄代鍛”鑄造工藝方案。此外，采用三坐標(biāo)測量儀測量德國鍛造合金模具的幾何尺寸，并在核對與設(shè)備本體的裝配匹配性后，確定國產(chǎn)預(yù)彎邊模具的制造圖。

2.1 新型高鉻合金模具鋼的化學(xué)成分

高鉻合金是一種成分范圍很寬的優(yōu)良耐磨材料，不同的化學(xué)成分和熱處理工藝使得其組織、硬度、韌性差異很大。

合理地提高合金含量和多元合金化處理是提高材料性能的有效手段，但合金含量的提高給鍛造模具（尤其是大型工模具）的生產(chǎn)帶來更大難度。目前，世界各國已開始轉(zhuǎn)向鑄造研發(fā)軋輥，而新型鑄造工藝和先進(jìn)裝備的相繼成功開發(fā)，使得高合金、高性能鑄造軋輥的生產(chǎn)得以實現(xiàn)［13］。

C和Cr是高鉻合金最基本、最重要的合金元素；其含量的多少決定了碳化物的數(shù)量、M7C3型碳化物與總碳化物的相對數(shù)量，材料的硬度、韌性及淬透性等。鉻碳比大于5時可獲得大部分的M7C3型碳化物，而M7C3型碳化物有很高的顯微硬度。提高鉻碳比可以提高淬透性，一般認(rèn)為鉻碳比為8～10時可獲得良好的綜合性能。

Mo在高鉻合金各相中的分配為：約50%進(jìn)入Mo2C；約25%進(jìn)入M7C3型碳化物；約23%溶入基體，明顯地提高合金的淬透性，Mo含量超過2%時作用更明顯。

V與C結(jié)合既能生成初生碳化物又可生成二次碳化物，使基體中固溶碳含量下降，提高馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度。一定含量的V在凝固時可細(xì)化組織，消除粗大的柱狀晶組織。

W與C的結(jié)合力大，可提高馬氏體的高溫穩(wěn)定性，從而提高材料的紅硬性。高溫淬火時，部分鎢碳化物會溶入基體，提高材料的淬透性。

Ni可強(qiáng)化基體，改善材料的綜合性能，提高淬透性。

Ti能形成穩(wěn)定的TiC晶核，細(xì)化共晶組織。

添加Nb可在基體中析出高硬度（2 000 HV）、高熔點、形狀規(guī)則、粒度小、均勻彌散分布的硬質(zhì)相——Nb（CN）質(zhì)點，可有效控制合金的凝固偏析，提高其綜合性能，并起到節(jié)約Ni或Cr的作用。

Si是熔煉過程中不可缺少的脫氧元素，但也是降低淬透性的元素。在生產(chǎn)時，需控制Si含量，以免在淬火時出現(xiàn)珠光體。

Mn既進(jìn)入碳化物又溶解于基體，與Mo一起加入時對提高淬透性非常有效。但由于Mn劇烈地降低馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度，使淬火組織中有較多的殘余奧氏體，故其含量應(yīng)控制在1%以下。

w（P）設(shè)定為≤0.03%，w（S）設(shè)定為≤0.025%。

依據(jù)預(yù)彎邊機(jī)上、下壓模的服役條件，綜合考慮各種合金元素的作用，設(shè)計出新型高鉻合金模具鋼的化學(xué)成分，主要合金含量約為Cr12Mo1V1鋼的1.3倍。而由此造成的原料成本上調(diào)將從簡化工藝和毛坯近終成型提高材料利用率中得到補(bǔ)償。

2.2 鑄造成型工藝的研發(fā)

根據(jù)預(yù)彎邊機(jī)上、下壓模的形狀和新型高鉻合金模具鋼的鑄造性能，設(shè)計鑄造成型工藝和裝備。

采用電爐冶煉和爐外精煉，以保證鋼水的純凈度；采用雙澆口多澆道澆鑄系統(tǒng)，以保證鋼水均勻快速充型；為更好地保證鋼水純凈度和含氧量，在近內(nèi)澆口處采用了佛山市陶瓷研究所有限公司生產(chǎn)的高性能泡沫陶瓷過濾器。該過濾器采用耐高溫碳化硅材質(zhì)，對鋼水的內(nèi)雜質(zhì)和氣體都有較好吸附作用，也可最大程度地降低過快的澆注速度帶來的鋼水紊流和沖擊，有效地減少偏析。通過電磁干擾和振動，使最初形成的枝晶破碎，并分布于整個合金液中，因而創(chuàng)造了有效的形核核心，使鑄件產(chǎn)生細(xì)小、均勻的等軸晶粒。此外，還使用了分部位控溫裝置，實現(xiàn)了順序凝固，加快了凝固速度，細(xì)化組織，同時可以有效地避免縮松等鑄造缺陷的產(chǎn)生，從而獲得高質(zhì)量的模具鑄坯。

采用超聲波探傷技術(shù)檢測用上述工藝生產(chǎn)的模具鑄坯質(zhì)量，結(jié)果表明：①鑄坯穿透性好，雜波少，可探性較好，組織均勻、致密；②模具鑄坯工作表面至深度100 mm區(qū)域達(dá)到BS EN 12680-2：2003標(biāo)準(zhǔn)［14］1級要求，內(nèi)部區(qū)域不低于2級要求。

2.3 新型高鉻合金模具鋼的力學(xué)性能

新型高鉻合金模具鋼退火軟化到1 060℃保溫6 h，緩冷至750℃保溫4 h，緩冷至600℃以下空冷；1 050℃淬火并保溫4 h，350～380℃鹽冷1 h后空冷，隨后再經(jīng)過2次200℃回火。

對相同材質(zhì)、相同熱處理大截面試件進(jìn)行解剖，結(jié)果顯示該新型高鉻合金模具鋼可完全淬透，淬后硬度為55～65 HRC，具有良好的淬透性和淬硬性。新型高鉻合金模具鋼與德國鍛造合金模具鋼的力學(xué)性能對比見表3。

表3 新型高鉻合金模具鋼與德國鍛造合金模具鋼的力學(xué)性能對比

2.4 新型高鉻合金模具鋼的金相組織

德國鍛造合金模具鋼的碳化物主要是M7C3型，含量在15%左右；其基體組織為馬氏體，金相組織如圖3所示。

圖3 德國鍛造合金模具鋼的金相組織

新型高鉻合金模具鋼的碳化物主要是M7C3型，呈不連續(xù)的條狀、塊狀、顆粒狀和菊花狀，其含量在20%左右，碳化物硬度可達(dá)1 800 HV。根據(jù)不同類型材料的服役條件，模具的基體組織有奧氏體、貝氏體、馬氏體等，宏觀硬度可達(dá)55～65 HRC。新型高鉻合金模具鋼的基體組織為馬氏體，金相組織如圖4所示。

圖4 新型高鉻合金模具鋼的金相組織

2.5 新型高鉻合金預(yù)彎邊模具的耐磨性能

采用MM-200環(huán)塊式摩擦磨損試驗機(jī)，分析新型高鉻合金預(yù)彎邊模具的耐磨性能。摩擦塊材料為德國鍛造合金模具鋼A、美國D2鋼B、日本SKD11鋼C、新型高鉻合金模具鋼D（鉻碳比為10）、新型高鉻合金模具鋼E（鉻碳比為8），每種材料3件；摩擦環(huán)材料為YG8鋼。在摩擦磨損試驗過程中通過自制系統(tǒng)加水冷卻，試驗主要參數(shù)見表4，摩擦磨損試驗結(jié)果如圖5所示。

試驗結(jié)果表明：新型高鉻合金預(yù)彎邊模具的耐磨性能約等同于德國鍛造合金模具的。

3 現(xiàn)場使用效果

新型高鉻合金預(yù)彎邊模具的無損檢測結(jié)果表明：該模具滿足超聲波探傷要求，達(dá)到磁粉探傷2級、滲透探傷2級，表面及近表面無裂紋性缺陷［14-16］。

表4 摩擦磨損試驗的主要參數(shù)

圖5 摩擦磨損試驗結(jié)果

寶鋼股份采用新型高鉻合金預(yù)彎邊模具后，發(fā)現(xiàn)該模具的制造精度、理化性能均與德國鍛造合金模具相當(dāng)，彎邊后各項成型質(zhì)量指標(biāo)、表面質(zhì)量、彎邊壓延均符合內(nèi)部質(zhì)量管控要求。

2014年1月—2015年3月，寶鋼股份采用新型高鉻合金預(yù)彎邊模具共壓制28 151根UOE焊管，壓制的部分典型規(guī)格見表5。隨后將該模具拉出檢測，發(fā)現(xiàn)該模具的表面磨損均勻，整體表面未出現(xiàn)影響UOE焊管產(chǎn)品質(zhì)量、模具壽命的缺陷，無損探傷結(jié)果良好。

表5 新型高鉻合金預(yù)彎邊模具壓制的部分典型規(guī)格

4 結(jié) 語

山東四方聯(lián)合寶鋼股份開發(fā)的新型高鉻合金模具鋼可以滿足寶鋼股份UOE焊管預(yù)彎邊模具的服役條件要求，其表面硬度、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性達(dá)到了德國鍛造合金模具鋼的水平，耐磨性能約等同于德國鍛造合金模具鋼，可以替代進(jìn)口。

通過此次預(yù)彎邊模具鋼的研制和應(yīng)用，寶鋼股份和山東四方掌握了UOE焊管預(yù)彎邊模具的核心制造技術(shù)，后續(xù)將進(jìn)一步改進(jìn)預(yù)彎邊模具的材質(zhì)及其工作面曲線設(shè)計，以拓展UOE焊管生產(chǎn)線的可制造規(guī)格范圍、提高模具的使用壽命、提高管型的可控制水平。

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