特大型高壓釜筒體鍛件工藝技術(shù)研究

喬旭光 胡振志 郭衛(wèi)東 張素芳 張彥娟

(1. 中信重工機(jī)械股份有限公司，河南471003；2. 河南省大型鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，河南471003)

1 技術(shù)要求

人造石英晶體高壓釜屬于壓力容器產(chǎn)品，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中承受高壓、高溫、高濃度的溶液，服役工況極其惡劣，技術(shù)條件要求較為苛刻。近幾年來(lái)，公司高壓釜筒體鍛件的工藝參數(shù)、生產(chǎn)操作控制技術(shù)取得了重大進(jìn)展。本次生產(chǎn)的特大型高壓釜筒體鍛件在我公司尚屬首次(零件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1)，材質(zhì)為PCrNi3MoVA，其主要技術(shù)要求為：

(1)化學(xué)成分要求見(jiàn)表1。

(3)低倍組織不允許存在裂紋、白點(diǎn)、氣孔、夾渣等缺陷，要求一般疏松不超過(guò)2級(jí)，偏析不超過(guò)2級(jí)；晶粒度≥6級(jí)；非金屬夾雜物氧化物類(lèi)≤2級(jí)，硫化物類(lèi)≤2級(jí)，二者之和≤3.5級(jí)。

(4)硬度最高值與最低值，同一母線方向不大于20HBW，徑向不大于40HBW，其力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Requirements of chemical composition(mass fraction, %)

表2 力學(xué)性能要求Table 2 Requirements of mechanical properties

高壓釜筒體規(guī)格為?880 mm×?370 mm×9600 mm，單重32.75 t，由于高壓釜筒體內(nèi)孔小、長(zhǎng)度長(zhǎng)，整體拔長(zhǎng)時(shí)難度較大，根據(jù)高壓釜筒體工況和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為保證使用壽命和內(nèi)部質(zhì)量，在降低毛凈比、減小余料消耗、保證金屬纖維流線完整性的情況下提出整體與分段拔長(zhǎng)相結(jié)合，并對(duì)端部進(jìn)行局部收孔的工藝方案。

圖1 高壓釜筒體鍛件簡(jiǎn)圖Figure 1 Schematic drawing of autoclave cylinder forging

2 制造工藝方案

高壓釜筒體主要生產(chǎn)工藝流程為：精選優(yōu)質(zhì)原料→電爐初煉→精煉→真空脫氣→加熱→真空澆注→鋼錠脫?！鸁崴弯撳V→鋼錠加熱→鍛造出成品→鍛后熱處理→粗加工→超聲檢測(cè)→性能熱處理→半精加工→超聲檢測(cè)→取樣測(cè)試→半精加工→檢驗(yàn)→成品發(fā)貨。

2.1 冶煉

精選優(yōu)質(zhì)廢鋼和生鐵，精確計(jì)算配比；精煉時(shí)加擴(kuò)散脫氧劑，取樣進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整合金成分，盡可能多采用碳粉還原，避免Si等元素超標(biāo)，確保熔清殘余元素滿足技術(shù)要求，出鋼溫度1660～1670℃；真空處理時(shí)鋼水在≤66.661 Pa下保持時(shí)間≥18 min，脫氣后鋼水中氣體含量[H]≤2×10-6，[O]≤25×10-6，[N]≤70×10-6；破空后按工藝要求加入發(fā)熱劑[2]。

2.2 鍛造成形

2.2.1 鋼錠加熱

為了保證鋼錠加熱均勻性和心部燒透，根據(jù)錠型具體尺寸確定加熱升溫速率、保溫時(shí)間和加熱溫度，合理安排加熱爐，鋼錠擺放時(shí)嚴(yán)格控制墊鐵高度和燒嘴距離，制定加熱工藝(壓鉗口和主變形階段溫度控制)，見(jiàn)圖2。

圖2 加熱工藝曲線Figure 2 Heating process curves

2.2.2 鍛造成形

總體成形思路：根據(jù)技術(shù)條件和鍛件結(jié)構(gòu)情況，確定采用“鐓粗+寬砧強(qiáng)壓法(WHF法)”鍛造工藝方法，確保破碎內(nèi)部鑄態(tài)組織，焊合內(nèi)部孔洞性缺陷，其中：WH(W為砧子寬度，H為坯料壓前高度)控制在0.5～0.8，保證坯料心部的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)；壓下率ΔHH控制在15%～20%，保證閉合面積最大；鍛造拔方過(guò)程中嚴(yán)格控制錯(cuò)砧量和搭接量，確保各個(gè)部位得到充分壓實(shí)鍛透[3]。變形過(guò)程示意圖如圖3所示。

該工藝方案控制主要亮點(diǎn)：按照筒體零件輪廓形狀實(shí)現(xiàn)了近凈成形，提出了局部收孔鍛造方法，滿足金屬纖維流線要求，進(jìn)一步保證鍛件整體質(zhì)量，且生產(chǎn)操作和尺寸也較容易控制[2，4-5]。

該工藝方案過(guò)程控制關(guān)鍵點(diǎn)：鐓拔階段嚴(yán)格按照工藝參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)操作；拔長(zhǎng)時(shí)預(yù)拔階段采用大進(jìn)砧量和大壓下量法，提高總體拔長(zhǎng)效率，降低鍛造火次；局部收孔時(shí)預(yù)留出足夠金屬坯料，保證滿足按工藝尺寸控制要求。

2.2.3 鍛后熱處理

鍛后熱處理不僅能消除筒體內(nèi)部溫度應(yīng)力、組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力和內(nèi)部白點(diǎn)，而且可改善內(nèi)部晶粒組織，為后續(xù)性能熱處理做必要準(zhǔn)備，為此進(jìn)行了鍛后兩次正火+回火的工藝。

圖3 變形過(guò)程示意圖Figure 3 Schematic diagram of deformation process

圖4 鍛后熱處理工藝Figure 4 Heat treatment after forging

通過(guò)采用兩次正回火工藝，嚴(yán)格控制加熱速度，并在正火冷卻時(shí)吊下臺(tái)車(chē)，鼓風(fēng)空冷至400～450℃入爐能夠較好地消除晶粒粗大和遺傳現(xiàn)象，且處理后晶粒更加均勻細(xì)小，可滿足最終成品鍛件良好的沖擊韌性。鍛后熱處理工藝見(jiàn)圖4。

2.3 調(diào)質(zhì)熱處理

根據(jù)高壓釜筒體技術(shù)指標(biāo)，確定調(diào)質(zhì)熱處理關(guān)鍵工藝參數(shù)，具體參數(shù)如圖5所示。在井式爐中進(jìn)行加熱，可以確保整個(gè)截面均勻受熱、以期獲得細(xì)小均勻的奧氏體晶粒度組織，提高綜合力學(xué)性能；冷卻過(guò)程中采用循環(huán)水冷卻保證冷卻速度和均勻性，確保各部分淬透。

表3 化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Test results of chemical compositions (mass fraction, %)

圖5 調(diào)質(zhì)工藝Figure 5 Quenching and tempering heat treatment

Rp0.2MPaRmMPaA%Z%KV2JKICMPam9921146224846138

3 生產(chǎn)試制及驗(yàn)證

按照鋼錠冶煉、鍛造、加工及熱處理關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了生產(chǎn)試制，經(jīng)各道工序超聲檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，高低倍組織(晶粒度7級(jí))完全符合技術(shù)要求?；瘜W(xué)成分及力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3、4。

4 結(jié)論

特大型高壓釜筒體鍛件技術(shù)指標(biāo)要求苛刻，鍛造技術(shù)復(fù)雜，需要制定專(zhuān)用的冶煉、鍛造、熱處理工藝和關(guān)鍵參數(shù)。在拔長(zhǎng)階段采用整體和分段拔長(zhǎng)相結(jié)合的工藝方案，并在端部進(jìn)行局部收孔的方法較好地保證了鍛件質(zhì)量，更有利于提高鍛件綜合力學(xué)性能。