大型軸類鍛件鍛透壓實技術(shù)的研究

李七平,潘 強

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限責任公司,甘肅 蘭州730314)

大型軸類鍛件在大型鍛件中占有重要地位,在電力、冶金、造船、礦山機械等領(lǐng)域應(yīng)用極廣,在大型鍛件中具有代表性。大型軸類鍛件的生產(chǎn),往往對一個鍛造廠的經(jīng)營業(yè)績產(chǎn)生重大影響。軸類鍛件的質(zhì)量、成本基本代表了一個鍛造廠的技術(shù)水平和生產(chǎn)管理水平[1]。

1 傳統(tǒng)軸類鍛件鍛造工藝編制原則

鍛鋼件進行熱態(tài)鍛造的目的之一,在于用壓力使鋼錠凝固過程中形成的內(nèi)部缺陷如疏松、孔洞被鍛合。隨著石油、化工、核電等設(shè)備參數(shù)的提高,設(shè)備日益朝大型化方向發(fā)展,鍛件也越來越大,鍛造所使用的鋼錠也愈來愈大型化。為適應(yīng)生產(chǎn)的需要,自上世紀70年代以來,國內(nèi)外鍛件生產(chǎn)廠家研究開發(fā)了一些新的鍛造方法,如JTS鍛造法、TER鍛造法、SUF鍛造法、FM鍛造法、FML鍛造法、AVO鍛造法、WHF鍛造法、KD鍛造法、LZ鍛造法和新FM鍛造法,這些方法都已成功應(yīng)用于大鍛件生產(chǎn)[2]。

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)和研究工作的進一步深人,新的鍛造方法正朝著精細化、最佳化方向發(fā)展。傳統(tǒng)的鍛造工藝理論及工藝參數(shù)并不能很好地指導(dǎo)企業(yè)生產(chǎn)。例如在工藝編制中,對工藝員而言,經(jīng)驗性的知識往往占主導(dǎo)因素,而且這類經(jīng)驗性的知識絕大多數(shù)都是定性類的,缺乏定量化的準則,比如在工藝編制中,一般只考慮少數(shù)幾個工藝參數(shù)對鍛件進行宏觀控制,如鍛造比、砧寬比、壓下量、鍛造溫度等,而對大鍛件工藝過程中的具體細節(jié)往往沒有詳細規(guī)定,工藝編制過于粗略和隨意只是為工人靈活操作創(chuàng)造了方便條件,但卻為實際質(zhì)量控制和最終質(zhì)量結(jié)果埋下了巨大隱患[3]。現(xiàn)行的鍛造工藝對實際生產(chǎn)的指導(dǎo)性差是行業(yè)內(nèi)普遍性的通病,已經(jīng)有人提出鍛造工藝精細化問題——即自由鍛造工藝的“非自由化”,是解決大鍛件質(zhì)量不穩(wěn)定的必要措施和發(fā)展方向[4]。從目前的實際情況看,在鍛造生產(chǎn)中,即使排除生產(chǎn)管理及鋼錠本身質(zhì)量問題,按照現(xiàn)行生產(chǎn)工藝執(zhí)行,仍然不可避免地出現(xiàn)鍛造廢品現(xiàn)象。事實證明,實際鍛造效果是不穩(wěn)定的,現(xiàn)行的鍛造工藝并不能保證鍛件100%合格,只能保證一定的產(chǎn)品合格率,說明還有很多未知的影響鍛件合格的因素需要我們?nèi)ヌ剿魍诰騕5]。鍛壓工藝應(yīng)能使工藝路線最簡潔、火次最少、不鐓粗或小鐓粗,并且使操作時間最短、鍛比最小、效率最高,從而降低生產(chǎn)成本,提高企業(yè)效益[6]。

2 任猛“有效壓實工藝準則”的應(yīng)用

2.1 軸類鍛件鍛造工藝一般性原則

根據(jù)多年來在大型軸類鍛件領(lǐng)域理論和實踐探索,目前已經(jīng)公認軸類鍛件的鍛造過程必須分階段完成。主要分成以下三個階段:

第一階段:徹底破碎原始鋼錠鑄造組織,完成對鋼錠疏松和孔隙性缺陷的“鍛透壓實”過程,獲得所謂的“鍛造”組織,以滿足力學性能要求。這個階段一般要用一次或二次鐓拔操作來完成。

第二階段:徹底鍛合內(nèi)部孔隙性缺陷,同時防止內(nèi)部產(chǎn)生新的裂紋,滿足超聲波探傷要求。

第三階段:應(yīng)用控制熱力學參數(shù)的鍛造方法(控制鍛造)來控制混晶的產(chǎn)生。

這里需要注意的是,三個階段一般不能互相代替,例如第二階段雖然具有第一階段的功能,但第一階段不一定能滿足第二階段的要求;第三階段具有第二階段的功效,但第二階段根本不能滿足第三階段的要求[7]。

2.2 “有效壓實工藝準則”的應(yīng)用舉例

在這里,我們推薦采用任猛給出的有效壓實臨界條件,該準則具有很強的適用性和可操作性,能夠指導(dǎo)我們編制鍛造工藝?！坝行簩嵟R界條件”,簡單說即以下2條:

(1)在主變形結(jié)束時,鍛坯內(nèi)部各點的最大壓應(yīng)變值ε1≥0.6;

(2)主變形過程中,鍛坯心部溫度T芯≥1050℃。

由于大型鍛件的壓實鍛造過程,大多是在拔長變形過程中實現(xiàn)的。而大型壓機操作最簡便、最常用的拔長方法主要有:上下平砧傳統(tǒng)拔長、上下平砧連續(xù)拔長、FM法拔長這3種形式。其中,上下平砧傳統(tǒng)拔長是每拔長一趟翻轉(zhuǎn)90°;而上下平砧連續(xù)拔長時,其連續(xù)的趟數(shù)為2、3、2、2、2……;FM 法拔長是使用上平砧、下平臺(或轉(zhuǎn)臺),該方法拔長時的翻轉(zhuǎn)為0°、180°、90°、180°、90°、180°……[8]。

這里需要注意,對于某一種截面尺寸的鍛件來說,這三種方法在砧寬一定的情況下,對于從同一直徑開始的拔長,FM法的壓實效率最高,其次為上下平砧連續(xù)拔長,最后是上下平砧傳統(tǒng)拔長。目前大多數(shù)企業(yè)常用的拔長方法是上下平砧拔長,也有的企業(yè)喜歡使用上下V砧(或者上平下V)拔長,這種方法所需要的壓機力量較大,拔長效率不高。這里我們強烈推薦使用FM法拔長的工藝,這樣可以少鐓粗或不鐓粗就能完成坯料的壓實鍛透操作,在后面的實例中我們也是以FM法拔長為例進行闡述的。

這里我們舉一個實際例子加以說明:有一個軸鍛件,材質(zhì)為42Cr Mo A,大徑尺寸φ900 mm,鍛件總長3600 mm,除滿足規(guī)定的力學性能要求外,還要求滿足超聲波探傷1級合格。鍛件圖如圖1所示。

圖1 42Cr Mo A軸鍛件圖

根據(jù)工藝計算,鍛件重13 050 kg,選用18.5 t自煉鋼錠。

對于FM法拔長,根據(jù)理論計算和實際生產(chǎn)經(jīng)驗證明,只要砧寬比W/H≥0.4即可滿足坯料心部保持三向壓應(yīng)力并產(chǎn)生足夠大的壓應(yīng)變[9]。FM 法的最佳砧寬比為0.6。根據(jù)“有效壓實工藝準則”,在采用上砧砧寬B=700 mm下平臺的FM法的拔長程序中,判斷符合有效壓實鍛造法的有效趟數(shù),用700 mm×0.8÷0.4=1400 mm(考慮有效進砧寬度為80%,有效砧寬比 W/H≥0.4)?？梢钥闯?所有壓下前直徑≤1400 mm的趟數(shù)都為有效趟數(shù)。在這種情況下滿足8個有效趟數(shù),只要拔長大于或等于8趟即可。根據(jù)表2的拔長程序,用砧寬B=700 mm上平砧下平臺進行的FM拔長操作中,從第5趟到第13趟共9趟均為有效趟數(shù),能夠滿足材料的鍛透壓實操作。對于壓下量的選擇,FM法每趟為11%～13% 左右,每次壓下量不宜超過15%。

在主拔長階段結(jié)束后,還必須進行高溫擴散加熱,這是必不可少的步驟。因為雖然主拔長滿足了ε1≥0.6的臨界變形條件,坯料內(nèi)部已經(jīng)實現(xiàn)了金屬組織致密、孔洞性缺陷完全消除、偏析和粗晶組織破碎改善的目的。但是,為了進一步實現(xiàn)組織均勻化,從而獲得均勻的力學性能,仍需要一定時間的高溫擴散加熱來實現(xiàn)[10]。

注意,這里采用了鍛造極限方的鍛造方法。在傳統(tǒng)的拔長操作中,操作工通?？偸遣桓覊哼^鍛件尺寸,那么在同樣鍛比的條件下,其內(nèi)部壓實鍛透效果就會差很多,甚至會導(dǎo)致鍛件檢測不合格。坯料主拔長后的扁方截面尺寸控制為其厚度與鍛件大身尺寸的比值是0.9,寬度與厚度的比值是1.35。這樣,在最后成形的火次中,坯料還保留有較大的截面形狀變化量,能夠保證其內(nèi)部任一點都會有變形,不會出現(xiàn)粗晶、混晶和熱態(tài)組織遺傳的情況,滿足工藝準則第三階段的要求。鍛件工藝卡見表1。

表1 42Cr Mo A軸鍛造工藝

表2 FM法拔長42Cr Mo A軸的實用程序(砧寬B=700 mm;坯料直徑D=1600 mm)

表3 上下平砧普通拔長42Cr Mo A軸的實用程序(砧寬B=700 mm;坯料尺寸:1120 mm×820 mm)

操作步驟如下:

(1)第一火,冒口壓鐓粗鉗把,倒棱(每個面壓下約40 mm)至φ1000 mm、錯底,入爐,進行高溫擴散加熱,適當延長高溫階段保溫時間,確保燒勻燒透。

(2)第二火,在鐓粗漏盤中鐓粗,坯料鐓粗至外徑φ1600 mm。之所以沒有鐓粗至更大尺寸,一是太大尺寸給后序拔長造成困難,二是目前現(xiàn)有的上平砧有B=700 mm寬和B=1000 mm寬兩種平砧,用1000 mm寬砧進行FM操作顯得上砧過寬,所以只考慮采用B=700 mm上平砧。

用B=700 mm上平砧、下平臺進行FM法拔長。拔長時的翻轉(zhuǎn)順序為0°、180°、90°、180°、90°、180°……;第一砧應(yīng)壓中間,壓下量取壓下前直徑的11%～13%。另外,每壓完一趟,翻轉(zhuǎn)90°必須錯半砧壓下一趟。根據(jù)任猛提出的“有效壓實工藝準則”,只有壓下前直徑D≤700 mm×0.8÷0.4=1400 mm(考慮有效進砧寬度為80%,有效砧寬比W/H≥0.4)的趟數(shù)才為有效趟數(shù),根據(jù)工藝準則,有效趟數(shù)在8～12就可以滿足鍛透壓實的要求。表2給出了有效趟數(shù)共9趟。其實,第一和第二可以折合有效趟數(shù)1趟(砧寬比之和大于或等于0.8可以折合一趟有效趟數(shù)),第三、第四和第十四趟折合一趟有效趟數(shù)。所以總的有效趟數(shù)為11趟,完全滿足坯料的鍛透壓實要求。最終拔成扁方1120 mm×820 mm,入爐高溫擴散加熱。之所以采用高溫擴散加熱,是為了進一步實現(xiàn)組織均勻化,從而獲得均勻的力學性能。

(3)第三火,采用B=700 mm的上下平砧進行普通拔長,將扁方拔成正方。拔長程序見表3。經(jīng)過3趟拔長,鍛成截面尺寸900 mm×900mm,然后倒八方,滾圓,卡臺,鍛兩邊的臺階軸;切頭,精整,完成成品鍛件,轉(zhuǎn)鍛后熱處理工序。

從鋼錠坯料鐓粗至φ1600 mm到鍛件最終成形尺寸即大徑φ900 mm,理論鍛比為:

注:這里的鍛比K為實際鍛比,沒有包括鋼錠倒棱時的鍛比和坯料鐓粗時的鐓粗比。

其中,用FM鍛造法進行壓實操作中鍛比為:

從扁方鍛成成品鍛件——即成形階段的鍛比為:

在成形階段之所以留一定的鍛造比,主要是為了使鍛件在成形階段仍有較大的外觀及內(nèi)部變形量,有利于細化晶粒,確保最后一火變形均勻,防止產(chǎn)生粗晶或混晶,為后續(xù)的熱處理晶粒細化工藝準備好條件[11]。

3 結(jié)論

(1)大型鍛件鍛造必須將材料的鍛透壓實階段與鍛件的最終成形階段有效分開,且鍛壓工藝路線應(yīng)盡可能簡潔、火次少、不鐓粗或小鐓粗,并且使操作時間最短、鍛比最小、效率最高。

(2)為了更好地計算鍛件是否獲得鍛透壓實效果,建議采用任猛提出的“有效壓實工藝準則”,其中兩個最關(guān)鍵的條件是:(a)最大壓應(yīng)變ε1≥0.6;(b)坯料心部溫度T心≥1050℃。

(3)在大型壓機拔長操作中最簡便、最常用的拔長方法主要有:上下平砧傳統(tǒng)拔長、上下平砧連續(xù)拔長、FM法拔長這3種形式。在鍛比一定的情況下,其鍛透壓實效果依次為FM法拔長＞上下平砧連續(xù)拔長＞上下平砧傳統(tǒng)拔長。因FM法拔長有其特殊的優(yōu)點,在工廠實際應(yīng)用更為普遍。

(4)在主拔長結(jié)束階段,坯料應(yīng)鍛成扁方,同時盡可能采用“極限方”的概念,使得扁方截面尺寸控制為其厚度與鍛件大身尺寸的比值是0.9,寬度與厚度的比值是1.35,隨后入爐進行高溫擴散加熱。

(5)采用任猛的“有效壓實工藝準則”編制拔長程序時,主變形拔長趟數(shù)一般控制在8趟～10趟,通常不會超過12趟。已經(jīng)能夠滿足鍛件的有效壓實工藝要求。