文／游和清·南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司

410馬氏體不銹鋼閥體的模鍛工藝及優(yōu)化

文／游和清·南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司

借助鍛造模擬軟件對(duì)410馬氏體不銹鋼閥體模鍛成形過程進(jìn)行了模擬分析，優(yōu)化了模鍛成形工藝。并具體從材料的準(zhǔn)備，加熱控制、鍛造成形幾個(gè)方面介紹了410馬氏體不銹鋼閥體的鍛造工藝。采用220MN電動(dòng)螺旋壓力機(jī)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了工藝驗(yàn)證。結(jié)果表明，鍛造工藝與模擬結(jié)果基本相符。

隨著石油工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，油井開發(fā)向深井、超深井、大位移井等方向發(fā)展，對(duì)閥體等石油套管連接件用鋼提出了更高的要求，410馬氏體不銹鋼因具有良好的力學(xué)性能和中等程度的耐蝕性等特點(diǎn)已成為石油套管連接件常用鋼種。410馬氏體不銹鋼相當(dāng)于國(guó)內(nèi)牌號(hào)1Cr13，在常溫下是鐵素體和馬氏體的混合組織，屬于半馬氏體不銹鋼。與碳鋼和合金鋼相比，410馬氏體不銹鋼具有塑性低、高溫下的變形抗力大、鍛造溫度范圍小、導(dǎo)熱率低等特點(diǎn)，鍛造時(shí)極易開裂。

圖1為某公司閥體鍛件的三維模型，模鍛件重418kg。以往該公司采用快鍛機(jī)自由鍛造成形，材料利用率低，鍛造過程中經(jīng)常出現(xiàn)開裂情況，開裂往往在鋼錠拔長(zhǎng)階段就已出現(xiàn)，隨著鍛造的進(jìn)行，裂紋迅速擴(kuò)展。采取退火后清理及機(jī)床加工去除裂紋再重新加熱鍛造的生產(chǎn)工藝路線，但裂紋廢品時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期和制造成本。后改由南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司引進(jìn)的220MN電動(dòng)螺旋壓力機(jī)上模鍛，打擊能量及行程可程序控制，鍛件一火成形，無裂紋、表面質(zhì)量?jī)?yōu)良。大大提升了材料利用率和產(chǎn)品質(zhì)量，縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本。

圖1 閥體鍛件的三維模型

工藝分析

圖1所示閥體鍛件類似十字軸鍛件，外廓包容體尺寸為620mm×450mm×335mm，產(chǎn)品執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為API 6A，交貨狀態(tài)為退火，退火硬度不超過197HBW。鍛件中法蘭和大部分軸頸回轉(zhuǎn)面均為非加工面，表面質(zhì)量要求高。由于鍛件沿軸向截面變化大，尤其軸頸處截面急劇縮小，該處在鍛造過程中材料流動(dòng)劇烈，易產(chǎn)生折疊，材料利用率也很難提高，除非采用輥鍛或預(yù)鍛制坯精準(zhǔn)分料，但這勢(shì)必增加設(shè)備工裝投資和制造成本。

本文將結(jié)合我公司設(shè)備工作臺(tái)面較大，能滿足多工位鍛造的特點(diǎn)，探討在該設(shè)備上鐓粗或成形鐓粗簡(jiǎn)單制坯，然后模鍛成形，以達(dá)既節(jié)省成本，又能相對(duì)提高材料利用率的模鍛工藝。經(jīng)計(jì)算，鐓粗后的毛坯最大直徑必須大于380mm才能保證鍛件最大截面處充滿，坯料鐓粗高度取560mm，綜合考慮鐓粗髙徑比等因素，設(shè)計(jì)如下工藝方案，進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

圖2 鐓粗毛坯示意圖

方案一：φ310mm×810mm下料→鐓粗至高度560mm（鐓粗毛坯見圖2a）→終鍛。

方案二：φ305mm×780mm下料→成形鐓粗至高度560mm（鐓粗毛坯見圖2b）→終鍛。

工藝模擬與優(yōu)化

為保證模擬結(jié)果的可比性，兩種方案均選用相同的工藝參數(shù)，定義始鍛溫度為1180℃、模具預(yù)熱溫度200℃、摩擦邊界條件為水基石墨潤(rùn)滑、熱交換邊界條件為強(qiáng)熱交換，設(shè)備壓力參數(shù)取最大打擊能量4400kJ、最大打擊速度400mm/s、最大打擊力220MN。為了節(jié)省運(yùn)算時(shí)間取二分之一模型進(jìn)行模擬。

成形結(jié)果分析

兩種工藝方案都成形飽滿，成形結(jié)果如圖3所示。方案一中法蘭部位飛邊較小，尤其是最后成形部位中法蘭小端的飛邊更小。頸部及邊法蘭飛邊很大，尤其是邊法蘭正外側(cè)；方案二中法蘭部位飛邊相對(duì)要大一點(diǎn)，頸部及邊法蘭飛邊相對(duì)則小了很多，與方案一相比，其整個(gè)飛邊更加均勻。從圖中還能看到方案一的中法蘭小頭端與軸頸交匯處有輕微的折疊。

表一為成形模擬結(jié)果數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，方案一所需終鍛成形力比方案二大了24.6%，而材料利用率卻低了6.3%。

圖3 鍛造成形過程

表1 模擬結(jié)果對(duì)比

以上結(jié)果說明，通過前一階段的鐓粗或成形鐓粗變形，方案二的成形鐓粗分料作用更明顯、更趨合理。

金屬流線

模鍛件相較自由鍛件，除了節(jié)省原材料以外，還有一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)，就是模鍛件的金屬流線更理想，一般沿鍛件輪廓分布，使鍛件具有更優(yōu)良的力學(xué)性能。從流線分布（圖4）來看，兩種方案的最終鍛件金屬流線都能沿著鍛件輪廓分布。圖4a為鐓粗終了時(shí)的流線，圖4b為終鍛結(jié)束時(shí)的流線。經(jīng)過前道工序的變形，成形鐓粗的局部流線網(wǎng)格明顯比鐓粗的變形劇烈，再經(jīng)過后道工序終鍛的變形后，其流線分布更加均勻，鍛后組織也會(huì)更均勻。

等效應(yīng)變分析

應(yīng)變梯度能夠真實(shí)、準(zhǔn)確地反映變形的均勻性，是衡量鍛件變形均勻程度的指標(biāo)。即應(yīng)變梯度越小，局部變形的差異越小，由此引起的局部組織不均勻、殘余應(yīng)力就越小，鍛件裂紋產(chǎn)生的幾率也就越小。圖5為終鍛結(jié)束時(shí)閥體中性面上的等效應(yīng)變分布。兩種方案的共同特征是在閥體內(nèi)部應(yīng)變具有對(duì)稱性，最大應(yīng)變出現(xiàn)在分模處，該處最有可能出現(xiàn)殘余應(yīng)力較大而導(dǎo)致開裂。方案二的應(yīng)變梯度過渡更平緩，鍛件內(nèi)部應(yīng)變范圍在0.009～3.35之間，方案一的應(yīng)變范圍在0.12～5.19之間，應(yīng)變梯度過渡較為急劇，結(jié)果顯示方案二的鍛后組織會(huì)更加均勻，這也與金屬流線趨勢(shì)一致。

宏觀分析，由于成形鐓粗后的坯料能達(dá)到一定的形狀要求，使毛坯更接近終鍛工步圖，從而改善了金屬在終鍛模中的流動(dòng)情況，所以會(huì)出現(xiàn)以上結(jié)果。結(jié)果一致說明方案二更為合理，該方案不僅材料利用率高、成形力低，而且金屬流線及鍛后組織更加均勻，開裂幾率也更低。

圖4 鍛件金屬流線

圖5 等效應(yīng)變場(chǎng)分布圖

工藝驗(yàn)證

坯料的準(zhǔn)備

大型閥體一般采用鍛圓作為坯料直接鍛造。馬氏體不銹鋼對(duì)表面缺陷十分敏感，即使是表面細(xì)小的裂紋，都會(huì)在鍛造過程中擴(kuò)展成裂縫，嚴(yán)重時(shí)甚至報(bào)廢。因此，410鍛圓盡量采用剝光或車光料。在加熱前仍有缺陷時(shí)，要打磨清除，打磨的寬深比應(yīng)大于1∶ 6。

坯料的加熱

從Fe-Cr-C合金相圖分析，410馬氏體不銹鋼在加熱溫度超過1000～1050℃以后便處于α（δ）+γ兩相狀態(tài)，且鋼中α（δ）相的數(shù)量隨溫度的升高而較多的增加，尤其是加熱到1180℃以上溫度時(shí)，δ相急劇增加。在兩相共存區(qū)進(jìn)行鍛造時(shí)，由于兩相的相變速率不同，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致鐵素體相晶界斷裂。據(jù)資料介紹，兩相中鐵素體（α相）量在10%～30%范圍內(nèi)最容易鍛裂，因此，應(yīng)控制410馬氏體不銹鋼的始鍛溫度在1180～1200℃之間。

410馬氏體不銹鋼的終鍛溫度受其同素異晶轉(zhuǎn)變溫度的限制，這一溫度約為800℃。但在生產(chǎn)上其終鍛溫度應(yīng)控制在900℃左右為宜，因?yàn)榻K鍛溫度低了，不僅較難鍛造，而且鍛后內(nèi)應(yīng)力也要增大。

410馬氏體不銹鋼還有一個(gè)顯著的特點(diǎn)是在700～800℃以下溫度的導(dǎo)熱系數(shù)小，但其導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而增大，在700～800℃范圍與普通合金鋼的導(dǎo)熱系數(shù)趨于一致。如果冷態(tài)坯料突然加入高溫爐急驟升溫，會(huì)形成較大的熱應(yīng)力，出現(xiàn)裂紋。因此，對(duì)于直徑大于100mm的毛坯，應(yīng)采用兩階段加熱制度，入爐溫度不宜超過550℃，緩慢加熱至800℃，保溫后快速加熱至鍛造溫度。

模鍛

由于410馬氏體不銹鋼在鍛造溫度下存在α+γ兩相組織，使鋼的工藝塑性大為下降，鍛造時(shí)容易產(chǎn)生裂紋。眾所周知，鍛造低塑性鋼時(shí)減小壓下量可以有效的防止裂紋的生成。因此，工藝驗(yàn)證時(shí)將整個(gè)成形過程分為3～4次打擊成形，每次40～80mm的壓下量，打擊能量按輕—重—輕分配，避免打擊過重和壓下量過大而產(chǎn)生裂紋，同時(shí)，也可避免因打擊過重使金屬流動(dòng)過快、剩余打擊能量過大使鍛模表面上產(chǎn)生很大的壓力，加快鍛模的損壞。

模鍛時(shí)，模具預(yù)熱至200～300℃，保證均勻熱透。410馬氏體不銹鋼粘性大、易粘膜。加熱產(chǎn)生的氧化皮雖然沒有普通碳鋼多，但其氧化皮堅(jiān)硬似磨料，留在模槽內(nèi)對(duì)鍛件和模具都非常有害。因此，每次打擊之前，模具和鍛件都必須潤(rùn)滑，潤(rùn)滑劑必須噴涂均勻。鍛后進(jìn)行熱切邊，切邊溫度不應(yīng)低于850℃。

鍛后冷卻

410馬氏體不銹鋼對(duì)冷卻速度特別敏感，鍛后空冷會(huì)出現(xiàn)馬氏體，內(nèi)應(yīng)力很大，容易產(chǎn)生裂紋。為了防止鍛后冷卻產(chǎn)生裂紋，應(yīng)采用緩冷。一般是將鍛件放在200℃左右的爐渣或石棉保溫箱中冷卻，也可堆冷。

一般410馬氏體不銹鋼閥體鍛件鍛后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行退火處理，退火后鍛件硬度不超過197HBW。

經(jīng)驗(yàn)證，按工藝方案二試制的模鍛件，未見任何質(zhì)量缺陷，表面質(zhì)量?jī)?yōu)良，飛邊較小且比較均勻。試制結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合。

結(jié)束語

在閥體產(chǎn)品的研發(fā)過程中，借助專業(yè)的數(shù)值模擬分析軟件，對(duì)成形工藝進(jìn)行分析、比較優(yōu)化，為產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)，同時(shí)通過小批量樣品試制，對(duì)模擬分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證確認(rèn)，試制結(jié)果與模擬結(jié)果基本相符。證明了模擬分析的科學(xué)性，從而達(dá)到了降低新產(chǎn)品研發(fā)成本、縮短研發(fā)周期的目的。