文／馬文昌·二十二冶集團精密鍛造有限公司

宋佳男·中國鍛壓協(xié)會

低溫鋼LF2多向模鍛件性能分析

文／馬文昌·二十二冶集團精密鍛造有限公司

宋佳男·中國鍛壓協(xié)會

馬文昌，碩士，主要從事多向模鍛工藝及配套生產(chǎn)線的設(shè)計、開發(fā)工作，主持、參與了二十二冶集團精密鍛造有限公司40MN、120MN多向模鍛生產(chǎn)線的設(shè)計、建設(shè)、生產(chǎn)工作，在三通閥體多向模鍛成形及模具設(shè)計方面有豐富經(jīng)驗。

多向模鍛技術(shù)又稱多柱塞模鍛，是20世紀50年代美國Cameron公司提出、實現(xiàn)的鍛造技術(shù)。多向模鍛在合模過程中對毛坯進行鐓鍛，隨后沖頭自不同方向?qū)γ鬟M行擠壓，一火一次獲得無毛邊、很小的多分支或有內(nèi)腔的鍛件。該鍛造工藝因具有變形均勻、鍛件機械性能好、成形精度高等優(yōu)點，而獲得廣泛關(guān)注。

本文以LF2低溫鋼鍛制的止回閥閥體為對象，通過與模鍛件的對比分析，著重研究多向模鍛件的機械性能、金相組織，以拓展多向模鍛件在低溫領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用和發(fā)展。

LF2止回閥閥體鍛件成形工藝

LF2為美國ASTM A350-2007《需切口韌性試驗的管道部件用碳鋼和低合金鋼鍛件》標準規(guī)定的牌號，試驗所用材料的化學(xué)成分經(jīng)測定符合標準要求。

多向模鍛成形工藝

LF2止回閥閥體鍛件簡圖如圖1所示。圖1中虛線為零件輪廓圖，A、B、C、D、E分別代表垂直穿孔直徑、垂直穿孔深度、水平穿孔深度、水平穿孔直徑及分模面以上高度。

采用多向模鍛工藝一次成形，多向模鍛件實物如圖2所示。

圖1 多向模鍛件簡圖

模鍛工藝

采用模鍛鍛造工藝流程為制坯→預(yù)鍛→終鍛→切邊，鍛件簡圖如圖3所示。

圖2 多向模鍛件

圖3 模鍛件簡圖

模鍛件切邊后，鉆孔獲得水平孔及垂直孔，模鍛件實物如圖4所示。

圖4 模鍛件

熱處理及取樣

多向模鍛件和模鍛件在鍛后統(tǒng)一采用正火+淬火+回火的熱處理工藝，熱處理工藝曲線如圖5所示。

兩種鍛造方式生產(chǎn)的止回閥閥體鍛件取樣位置相同，具體位置如圖6所示。圖中I、II處為拉伸試驗取樣位置；1、2、3、4處為沖擊試驗取樣位置；A、B、C、D處為金相檢驗取樣位置。

圖5 熱處理工藝曲線

圖6 取樣位置

力學(xué)性能對比

多向模鍛件與模鍛件均要求低溫沖擊性能，試驗溫度為-50℃，多向模鍛件與模鍛件的低溫沖擊功如表1所示。兩種鍛造方式生產(chǎn)的止回閥閥體鍛件拉伸力學(xué)性能，如表2所示。

由表1、表2對比可知，兩種鍛造方式生產(chǎn)的止回閥閥體鍛件拉伸力學(xué)性能基本相同，但沖擊性能差異較大。其中取樣位置3處的沖擊功兩者基本相同，取樣位置1、2、4處多向模鍛件的沖擊功是普通模鍛件的2～3倍。

表1 多向模鍛件與模鍛件的低溫沖擊功 (單位：J)

表2 多向模鍛件與模鍛件產(chǎn)品拉伸力學(xué)性能對比

查閱多向模鍛相關(guān)資料，了解到多向模鍛件金屬流線如圖7所示。不難發(fā)現(xiàn)，取樣位置1、2、4處是平行于金屬纖維流線取樣，取樣位置3處是垂直于金屬纖維流線取樣?？勺C實采用多向模鍛工藝成形時形成的連續(xù)金屬纖維流線非常有助于提高材料的低溫沖擊性能，因此當采用多向模鍛成形工藝時，應(yīng)考慮鍛件承載面的金屬流向。

圖7 多向模鍛件金屬流線

金相組織研究

鍛前金相組織

多向模鍛工藝所用坯料為φ160mm的軋坯棒材，分別對原坯料縱向、橫向截面金相組織及中頻爐加熱后的鍛前組織進行觀察，觀察結(jié)果如表3所示。原坯料中縱向截面存在較嚴重的帶狀組織，經(jīng)評級，帶狀組織為4～5級，也有少量魏氏組織，評級為1級；坯料經(jīng)中頻爐加熱后存在嚴重的魏氏組織，評級為最高級5級。坯料在中頻爐中溫度可達1150℃，因LF2鋼含Mn量約1%，Mn有促進晶粒長大的作用，因此在高溫下保溫一段時間后會形成粗大晶粒，在隨后的冷卻過程中易形成粗大的魏氏組織。

表3 鍛前金相組織

鍛后金相組織

鍛后金相組織如表4所示，主要有以下特征：

⑴鍛后魏氏組織改善，但位置C處仍較為嚴重，評級為2級。

⑵帶狀組織未完全消除，位置D處(鍛件上孔底部）較為嚴重。

⑶鍛件組織不均勻。晶粒不均勻，有混晶現(xiàn)象；帶狀組織分布不均勻。

結(jié)合多向模鍛工藝的特點，分析產(chǎn)生以上現(xiàn)象主要是因為多向模鍛成形時，多個沖頭先后擠壓成形，造成各部位始鍛溫度、終鍛溫度不同，各部位的變形量也不相同，進而影響到鍛件組織。

熱處理鍛件金相組織

鍛件熱處理后金相組織如表5所示，位置A略有帶狀傾向，其組織為回火索氏體組織；位置B晶粒均勻，無明顯缺陷；位置C仍有粗大晶粒且伴隨魏氏組織；位置D仍然是回火后的帶狀組織。位置C處存在組織缺陷，也是造成低溫沖擊性能偏低的主要原因之一。

通過對金相組織的觀察，可以得出以下結(jié)論：

⑴多向模鍛件金相組織不均勻是受到鍛造溫度、變形量等因素的影響。

⑵帶狀組織經(jīng)多向模鍛鍛造成形、熱處理等工序后有效改善，但無法根除。

⑶粗大晶粒和魏氏組織的產(chǎn)生，會對鋼的機械性能產(chǎn)生影響，特別是對沖擊性能產(chǎn)生明顯的影響。

⑷LF2鍛件鍛后冷卻過程易形成魏氏組織，正火工藝可有效改善魏氏組織。

表4 鍛后金相組織

表5 熱處理鍛件金相組織

結(jié)論

通過對多向模鍛件和普通模鍛件的力學(xué)性能對比和對多向模鍛件的鍛造前后的金相檢驗，可得出以下結(jié)論：

⑴采用多向模鍛工藝生產(chǎn)的鍛件可滿足鍛件各項性能指標要求。

⑵采用多向模鍛工藝形成的連續(xù)金屬纖維流線可顯著提高材料低溫態(tài)的沖擊韌性，提高幅度可達2～3倍，因此多向模鍛成形工藝應(yīng)考慮鍛件承載面的金屬流向。

⑶采用多向模鍛工藝成形的鍛件存在金相組織不均勻問題，主要受鍛造溫度、變形量等因素影響。

⑷用于多向模鍛的原坯料，尤其是后續(xù)熱處理無法改善組織的材料，要做好金相組織準備，避免帶狀組織等缺陷。

⑸粗大晶粒和魏氏組織的產(chǎn)生，是造成多向模鍛件低溫沖擊性能偏低的主要原因之一。