姚鳳勝

（濟(jì)南星越機(jī)械有限公司，山東 濟(jì)南 250203）

API 20C閥體模鍛件質(zhì)量的過程控制

姚鳳勝

（濟(jì)南星越機(jī)械有限公司，山東 濟(jì)南 250203）

為保證閥體模鍛件滿足API 20C要求和產(chǎn)品制作過程符合規(guī)范，在以過程為方法控制質(zhì)量的基礎(chǔ)上，結(jié)合鍛造工藝學(xué)，按閥體鍛件的生產(chǎn)流程介紹了各加工環(huán)節(jié)中的質(zhì)量控制措施，并闡述了每生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的操作規(guī)范和質(zhì)量缺陷成因。通過對(duì)過程分解的質(zhì)量控制方法，能夠有的放矢地進(jìn)行前期質(zhì)量策劃和重點(diǎn)過程控制，利于產(chǎn)品質(zhì)量可控。通過對(duì)不同文獻(xiàn)資料的研究和參數(shù)優(yōu)選，并結(jié)合實(shí)際操作中積累的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)閥體常用材質(zhì)4130鋼和410鋼的加熱規(guī)范、鍛造溫度范圍、鍛后冷卻、鍛后熱處理工藝等進(jìn)行了明確，使閥體模鍛件的質(zhì)量性能更易于保證。該控制措施經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間實(shí)踐，無論產(chǎn)品質(zhì)量還是質(zhì)量可控性，都得到顯著提高，具有良好的可實(shí)施性。

閉模鍛造；鍛件；質(zhì)量控制；制造程序規(guī)范

石油天然氣工業(yè)用鍛件產(chǎn)品多應(yīng)用在高溫、高壓、腐蝕性的環(huán)境中，一旦因產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)生事故，會(huì)帶來重大財(cái)產(chǎn)損失、環(huán)境破壞甚至人員傷亡的嚴(yán)重后果，所以此類鍛件的質(zhì)量要求非常高。《API Spec 20C石油天然氣工業(yè)用閉模鍛件》規(guī)定了石油天然氣工業(yè)API作業(yè)零部件用閉模鍛件的設(shè)計(jì)、質(zhì)量鑒定和生產(chǎn)過程控制的要求[1]。質(zhì)量控制應(yīng)采用過程方法，結(jié)合PDCA（策劃、實(shí)施、檢查、處置）循環(huán)與基于風(fēng)險(xiǎn)的思維進(jìn)行策劃[2]，并將過程方法融合到質(zhì)量管理體系的應(yīng)用中，這樣既可保證對(duì)規(guī)定要求進(jìn)行持續(xù)控制，同時(shí)又便于過程之間的無縫隙對(duì)接[3]。閥體鍛件是API 20C中的典型鍛件，現(xiàn)以閥體鍛件的生產(chǎn)流程來闡述其質(zhì)量要素和制作過程中的控制方法。

1 鋼材原材料

1.1 原材料貨源

作為采購最基本的要求之一，原材料只能從合格供方中采購，并且質(zhì)量穩(wěn)定。該供應(yīng)商生產(chǎn)的原材料能夠滿足API 20C模鍛件對(duì)原材料的要求，并有能力持續(xù)滿足。需有具體的文件對(duì)原材料技術(shù)要求如何鑒定做出規(guī)定，文件還應(yīng)包括對(duì)原材料供方評(píng)價(jià)的方法，以及原材料進(jìn)廠后驗(yàn)收入庫的詳細(xì)流程及規(guī)范。

1.2 原材料制作規(guī)范

原材料生產(chǎn)商應(yīng)對(duì)每一種規(guī)格和等級(jí)的原材料進(jìn)行了以下方面的控制：

（1）化學(xué)成分控制。包括金屬元素及微量元素、非金屬元素的控制。對(duì)有害元素如 S、P、[O]、[N]、Cu、Al等容易形成夾雜物的元素及Sn、Sb等微量元素應(yīng)加以控制，以防鍛造中因化學(xué)元素導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋[4]。

（2）熔煉方法的控制。原材料需依據(jù)以下方法之一的精煉熔煉方法：①堿性氧化真空脫氣爐（BOFVD）或堿性氧化氬氧脫碳爐（BOFAOD）；②電爐（EF）或真空脫氣電爐（EFVD）或氬氧脫碳電爐（EFAOD）；③真空感應(yīng)爐（VIM）；④帶有電渣重熔（ESR）或真空電弧重熔（VAR）。

（3）澆鑄方法和鑄錠模的控制。采用連續(xù)鑄鋼法，連鑄坯的規(guī)格到最終軋制交貨成品的過程壓縮比不小于3.0；采用鋼錠模澆注法，鋼錠的利用率一般不得高于75%，并且在鍛材交貨時(shí)，其鍛造比不小于2.0。

（4）其他方面控制。軋制或鍛材生產(chǎn)過程中的溫度控制及冷卻方法、原材料檢驗(yàn)和驗(yàn)收準(zhǔn)則、鋼材純凈度要求、疏松或夾雜極限、晶粒度、次生相、顯微組織、宏觀組織、原材料的存放條件等。

1.3 材料規(guī)范

在原材料用以生產(chǎn)鍛件之前，應(yīng)該以規(guī)范的形式將對(duì)原材料的要求形成文件，并且將材料等級(jí)和化學(xué)成分偏差、可接受的熔煉方法和包內(nèi)精煉、可接受的鍛造壓縮率范圍、可接受的純凈度級(jí)別范圍、可接受的原始材料的規(guī)格和公差及結(jié)構(gòu)、可接受的檢驗(yàn)方法和準(zhǔn)則要求明確到驗(yàn)收文件中。

2 鍛模和設(shè)備的準(zhǔn)備及維護(hù)

2.1 鍛模的設(shè)計(jì)

閥體鍛件的閉式模鍛模包括上模、下模、切邊凸模、切邊凹模，有時(shí)還需要有預(yù)鍛上模、預(yù)鍛下模、特定工序模具（如壓字模、整形模等）。由于閥體鍛件最終成品存在大部分非加工面，故要求模具具有抗龜裂、裂紋的強(qiáng)度，避免生產(chǎn)中出現(xiàn)明顯的龜裂、開裂，從而造成鍛件表面不平、起筋。鍛模設(shè)計(jì)對(duì)鍛件的尺寸精度有很大影響，為保證獲得要求的尺寸精度，設(shè)計(jì)鍛模時(shí)應(yīng)考慮以下各點(diǎn)[5]：①鍛件的熱脹冷縮；②錯(cuò)移力的平衡和導(dǎo)向；③鍛件高度方向的尺寸超差；④模具的加工精度；⑤模具的剛度。

2.2 設(shè)備的選擇

鍛件最終在哪臺(tái)設(shè)備上進(jìn)行生產(chǎn)，取決于以下因素：①具有足夠的鍛造能力以保證產(chǎn)品的鍛透性；②產(chǎn)品的尺寸和模具的裝?？臻g；③近期設(shè)備管理中狀態(tài)穩(wěn)定的設(shè)備，避免生產(chǎn)過程中出現(xiàn)設(shè)備故障，間接地影響到鍛件質(zhì)量；④設(shè)備的布局有利于產(chǎn)品鍛造各工序的流轉(zhuǎn)，從而最優(yōu)化地保證鍛件質(zhì)量。

2.3 模具、設(shè)備的日常維護(hù)

應(yīng)以文件的形式規(guī)范對(duì)模具和設(shè)備的維護(hù)，比如作業(yè)指導(dǎo)書或者規(guī)定文件，做到流程切實(shí)可行，保證維護(hù)的有效性。

3 鍛件的制造程序規(guī)范

根據(jù)鍛件的特點(diǎn)制定相應(yīng)的制造規(guī)范，規(guī)范應(yīng)設(shè)計(jì)該鍛件生產(chǎn)過程中的所有鍛件參數(shù)，并且在鍛件生產(chǎn)之前確定、評(píng)審、批準(zhǔn)這些規(guī)范。鍛造的生產(chǎn)過程應(yīng)有鍛件圖、流程圖、工裝圖、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備/儀器操作規(guī)程、作業(yè)指導(dǎo)書、工藝規(guī)程、控制計(jì)劃、檢驗(yàn)指導(dǎo)書等技術(shù)文件[6]。以下按照一般閥體鍛件的生產(chǎn)流程來闡述制造過程中的控制方法。

3.1 鋼材下料

下料方式只允許使用鋸切下料方式，因冷剪切時(shí)易出現(xiàn)斷面傾斜、壓塌、不平度等缺陷，以及脆性斷裂[7]故不得使用冷剪方式下料，也不允許火焰切割方式。對(duì)每一種鍛件應(yīng)確定其所使用鋼材規(guī)格、下料長(zhǎng)度、下料重量，以及所允許的重量公差范圍。所使用的鋼材表面不應(yīng)有目視可見的裂紋、結(jié)疤、折疊及夾雜，如有上述缺陷應(yīng)清除，清除深度從鋼棒實(shí)際尺寸算起應(yīng)不超過鋼材公稱尺寸的3%（對(duì)于直徑大于?140的材料），清除寬度不小于深度的5倍，同一截面上清除處不多于1處[8]。對(duì)于使用鍛材下料的，在下料之前應(yīng)整根去除鋼材表面的氧化皮、表面裂紋等影響鍛件質(zhì)量的缺陷；也可以在下料前考慮去除表面缺陷帶來的重量損失而提前預(yù)留，待鋸好料段后再逐根車削去除。

使用圓鋼下料的高度與直徑之比不應(yīng)超過2.5～3，在2～2.2的范圍內(nèi)最好[9]，以免預(yù)鍛鐓粗時(shí)出現(xiàn)彎曲或者雙鼓形而帶來的折疊隱患，也要根據(jù)所使用的不同制坯鍛錘而選擇合適的下料規(guī)格，避免鍛錘在鐓粗時(shí)能量行程空間不足導(dǎo)致的鐓粗效率低下。

下料重量應(yīng)是經(jīng)過前期計(jì)算或者定型的下料重量，其重量偏差可參照表1。

表1 下料重量偏差的允許范圍

下料工序常見的質(zhì)量缺陷有：①鋸斜。端面鋸斜即增加了鍛造過程中的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，也增加了操作安全風(fēng)險(xiǎn)；②坯料端部毛刺。下料完畢后的坯料應(yīng)人工去除毛刺，以免給產(chǎn)品的鍛造帶來表面夾層的質(zhì)量隱患；③鋸料過程中“回鋸”?；劁徥侵赶铝蠒r(shí)操作工發(fā)現(xiàn)鋸料短而抬鋸再重新進(jìn)料落鋸的行為，對(duì)于鋸深不超過鋼材直徑3%的，應(yīng)進(jìn)行打磨后方可使用，打磨范圍寬度不小于鋸深的5倍；超過3%深度的不可使用。

3.2 坯料的加熱

加熱過程是保證鍛件質(zhì)量的重要過程，屬于特殊過程。在進(jìn)行加熱安排時(shí)，應(yīng)根據(jù)材質(zhì)的不同、裝爐方式、裝爐量及生產(chǎn)特點(diǎn)（如節(jié)拍、使用設(shè)備）的不同來確定裝爐溫度、加熱時(shí)間、加熱溫度、升溫速率、保溫時(shí)間等。加熱通常采用室式爐，不允許采用中頻感應(yīng)加熱的方式。為了指導(dǎo)裝爐，應(yīng)制定裝爐圖和裝爐量的限制。

3.2.1 鍛造溫度的確定

合適的鍛造溫度范圍可以使金屬材料具有良好的塑性，并獲得良好的鍛后組織。始鍛溫度主要受到過熱和過燒的限制，終鍛溫度主要應(yīng)保證在結(jié)束鍛造之前金屬還具有足夠的塑性以及鍛件在鍛后獲得再結(jié)晶組織，過高的終鍛溫度也會(huì)使鍛件在冷卻過程中晶粒繼續(xù)長(zhǎng)大。根據(jù)文獻(xiàn)和相關(guān)研究，4130鋼鍛造范圍選取1180～800℃[9]、410鋼鍛造溫度范圍是1180～900℃[10]。

3.2.2 加熱溫度的確定

由于4130鋼屬于導(dǎo)溫性較好的材料，實(shí)際的加熱速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于允許的加熱速度，故完全可以采用快速加熱的方法；410鋼屬于導(dǎo)熱性差的材料，在800℃以下，熱導(dǎo)率比一般合金結(jié)構(gòu)鋼低，需要以較慢的加熱速度加熱或增加預(yù)熱工序；預(yù)熱溫度為800℃左右；預(yù)熱后快速升溫至鍛造溫度或直接轉(zhuǎn)移至事先升溫至鍛造溫度的高溫爐，并在鍛造溫度保溫。整個(gè)加熱時(shí)間需要比合金結(jié)構(gòu)鋼長(zhǎng)1倍以上[11]。

3.2.3 坯料的保溫

對(duì)于410鋼的加熱過程，由于其熱導(dǎo)率差，在800℃左右保溫是為了減小坯料斷面上的溫差，減小溫度應(yīng)力，防止產(chǎn)生組織應(yīng)力裂紋；鍛造溫度下的保溫，是為了防止坯料中心溫度過低，引起鍛造變形不均，并且還可以借助高溫?cái)U(kuò)散作用，使坯料組織均勻化，以提高塑性，減少變形不均，提高鍛件質(zhì)量[12]。

4130、410材質(zhì)的坯料加熱曲線可參照?qǐng)D1所示。

4130鋼加熱曲線中升溫階段時(shí)長(zhǎng)和保溫時(shí)長(zhǎng)可參照表2所示。

圖1 4130鋼和410鋼加熱曲線圖

表2 4130鋼加熱溫度和保溫時(shí)間

410鋼加熱曲線中升溫階段時(shí)長(zhǎng)和保溫時(shí)長(zhǎng)可參照表3所示，表中I，II，.....所代表區(qū)間如圖1b中所示。

表3 410鋼加熱溫度和保溫時(shí)間

文獻(xiàn)[13]中提到“坯料加熱終了時(shí)，斷面溫差應(yīng)達(dá)到的均勻程度因鋼種的不同而不同，碳素鋼和低合金鋼要求小于50～100℃，高合金鋼要求小于40℃，方可出爐鍛造”，恰當(dāng)?shù)谋貢r(shí)長(zhǎng)可以降低鍛面溫差，達(dá)到滿足鍛造的條件。

由于加熱是影響鍛件質(zhì)量的關(guān)鍵因素，所以對(duì)加熱工序要格外引起重視。生產(chǎn)中要嚴(yán)格按照確定的工藝參數(shù)執(zhí)行，并做好記錄，工序的巡查也要以這些參數(shù)為重點(diǎn)。通常配備的檢驗(yàn)儀器使用紅外測(cè)溫儀，用來檢測(cè)出爐后的坯料溫度，在溫度監(jiān)測(cè)時(shí)，需要注意的氧化皮對(duì)溫度測(cè)量值的影響。

3.3 鍛造

坯料從加熱爐出來至鍛件生產(chǎn)完畢，整個(gè)過程都屬于鍛造，一般包括制坯、預(yù)鍛、終鍛、切邊及沖孔等。在制定鍛造過程的制造程序規(guī)范時(shí)，應(yīng)詳細(xì)描述每一個(gè)鍛造期間的初始尺寸和最終尺寸，包括圖紙和書面文件要求的每一熱成形加工壓縮步驟的加熱或重新加熱溫度范圍。

閥體模鍛件的制作過程如圖2所示。

圖2 閥體鍛造流程圖

3.3.1 鐓粗

在鐓粗前，應(yīng)人工鏟去兩端氧化皮。鐓粗可以去掉坯料外圍的氧化皮，提高材料性能，增加鍛造比，要注意每一次鐓粗時(shí)的壓縮量不得大于材料塑性允許的范圍，另外在保證鍛造比最終可以達(dá)到要求的前提下，不要鐓的太低，從而降低鐓粗效率，以免造成后續(xù)工序的鍛造溫度過低。此外，鐓粗時(shí)控制坯料的垂直度，避免鐓斜。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，鐓粗過程中鍛造比設(shè)置在1.3～1.5之間、降溫范圍在50～80℃之間較為合適。

鐓粗過程中的鍛造比[1]：

式中：Af——鐓粗后橫截面面積；

Ai——初始橫截面面積；

hf——鐓粗后鍛造高度；

hi——初始材料高度。

鐓粗鍛造比預(yù)設(shè)在1.3～1.6之間時(shí)，即鐓粗后坯料高度為原來的65%～75%范圍內(nèi)較為適合。

3.3.2 拔長(zhǎng)

拔長(zhǎng)作為緊接鐓粗后的工序，一是繼續(xù)提高鍛造比，二是制坯到合適的長(zhǎng)度以便終鍛。拔長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)首先將坯料鍛成矩形截面，再拔長(zhǎng)，到接近合適長(zhǎng)度時(shí)壓成八邊形，最后倒棱鍛成圓形。拔長(zhǎng)最好是從坯料的中間向兩端方向進(jìn)行，以利于材料的平衡。拔長(zhǎng)時(shí)，注意每次壓下量不可過大，并且送進(jìn)量可以選擇半砧到滿砧的長(zhǎng)度，但要注意拔長(zhǎng)時(shí)上砧鍛打時(shí)產(chǎn)生的印痕，以免存在夾層的風(fēng)險(xiǎn)，可以將上砧寬度方向的兩側(cè)圓角加大。拔長(zhǎng)過程應(yīng)迅速連貫，以免坯料的溫度下降嚴(yán)重，影響終鍛時(shí)的溫度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，拔長(zhǎng)過程的鍛造比設(shè)置在1.3～1.6之間、降溫范圍在50～80℃之間較為合適 。

拔長(zhǎng)過程中的鍛造比：

式中：Af——拔長(zhǎng)后橫截面面積；

Ai——初始橫截面面積；

Df——拔長(zhǎng)后橫截面直徑；

Di——初始橫截面直徑。

3.3.3 摩擦壓力機(jī)上終鍛

模具鍛造是閥體鍛件成形的主要工序，也是鍛造過程中最關(guān)鍵的步驟。鍛造成形過程中，應(yīng)采取必要的潤(rùn)滑、冷卻措施，以利于鍛件的脫模和提高模具使用壽命，及時(shí)清除因坯料變形而松動(dòng)散落的氧化皮，避免型腔內(nèi)石墨殘?jiān)逊e、殘留水分，在模具冷卻時(shí)要注意不要將水噴灑到鍛件上，尤其410材質(zhì)更需注意，以防局部產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。為做到使鍛件具有尺寸一致性，應(yīng)注意對(duì)每件的鍛打次數(shù)盡量一致；禁止鍛件粘上模時(shí)帶料打擊，以免下行過程中突然掉落導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢、損壞模具，甚至損壞設(shè)備。隨著鍛打成形的進(jìn)行，坯料邊緣的溫度降低明顯，尤其形成的飛邊處，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，成形的鍛打次數(shù)不宜超過五次。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[1]中的定義“當(dāng)原始材料或鍛件的橫截面不同時(shí)，應(yīng)采用鍛造比計(jì)算結(jié)果最小的橫截面”，故摩擦壓力機(jī)上成形過程中的鍛造比計(jì)算應(yīng)分別分析各變形截面的鍛造比，選擇數(shù)值最小的一個(gè)作為此工序的鍛造比。通過對(duì)各種型號(hào)的閥體鍛件進(jìn)行分析，終鍛過程中的鍛造比應(yīng)控制在1.2～1.4之間較為恰當(dāng)。

閥體終鍛過程常見的缺陷有：

（1）氧化皮凹坑。前期工序中未清理凈氧化皮和坯料從上一工序傳遞到終鍛時(shí)暴露在空氣中產(chǎn)生的氧化皮經(jīng)鍛擊時(shí)會(huì)落進(jìn)坯料和鍛模之間的空洞中，導(dǎo)致產(chǎn)品氧化皮缺陷；尤其是二火返修或者拔長(zhǎng)終了鍛造溫度不足重新回爐升溫的坯料更容易出現(xiàn)氧化皮凹坑缺陷。

（2）鐓粗過程產(chǎn)生裂紋。鐓粗過程中裂紋產(chǎn)生的原因有：鐓粗時(shí)因原材料質(zhì)量問題產(chǎn)生的縱裂、大鐓粗量產(chǎn)生的表面細(xì)小裂紋、鐓粗成雙鼓形產(chǎn)生的中部環(huán)形裂紋等；對(duì)410不銹鋼來說，提高410鋼材料的純凈度、控制有害元素含量，取鍛造溫度區(qū)間為1180～900，可以有效減少鍛造開裂[10]。

（3）拔長(zhǎng)過程中產(chǎn)生的端面裂紋。拔長(zhǎng)產(chǎn)生的裂紋分為因塑性不足而出現(xiàn)的端部十字裂紋和一字裂紋、因拔長(zhǎng)砧面騎在雙鼓形上鍛擊而產(chǎn)生在腰部的環(huán)形拉裂紋等；由于大多數(shù)情況拔長(zhǎng)時(shí)溫度較高，端部裂紋出現(xiàn)的概率不高，只有當(dāng)端部溫度較低、又在重打擊力下偶有發(fā)生；當(dāng)坯料的高徑比過大在鐓粗過程中產(chǎn)生雙鼓形時(shí)，拔長(zhǎng)時(shí)應(yīng)首先分別拔長(zhǎng)鼓形，不可首先砧面騎著腰部鍛打拔長(zhǎng)。

（4）拔長(zhǎng)過程出現(xiàn)的坯料表面夾層。這主要由與下壓量過大，加之砧面的兩側(cè)圓角過小造成，拔長(zhǎng)時(shí)應(yīng)控制下壓量和送進(jìn)量的關(guān)系，并且通過邊拔長(zhǎng)邊旋轉(zhuǎn)坯料的方法加以避免。

（5）鍛件表面折疊。終鍛時(shí)發(fā)生折疊主要是由材料發(fā)生回流（此種情況易發(fā)生在截面發(fā)生驟變的部位）造成的，鍛造時(shí)坯料脫模未能及時(shí)糾正位置也能造成表面夾層的發(fā)生。

（6）局部充填不足。鍛造溫度不足以保證金屬材料流動(dòng)、模腔設(shè)計(jì)不合理、模腔中存在殘留水分、設(shè)備鍛打能力不足等都可以導(dǎo)致局部充填不足缺陷的發(fā)生。

（7）合模方向橢圓。設(shè)備鍛打能力不足、模具飛邊倉部設(shè)計(jì)不合理、鍛造溫度過低是造成合模方向橢圓的主要因素。

（8）錯(cuò)模。鍛模鎖扣設(shè)計(jì)不合理、制坯不合理、金屬材料流動(dòng)時(shí)水平力不平衡、壓力機(jī)承載行程過大都會(huì)造成鍛件錯(cuò)模超差。

3.3.4 切邊

切邊是通過沖裁的方式去除飛邊的工序，須在材料要求的鍛造溫度以上進(jìn)行。為做到每件的切邊輪廓具有一致性，一般可規(guī)定切邊時(shí)的溫度在終鍛溫度以上20～80℃區(qū)間內(nèi)進(jìn)行。切邊工序是影響鍛件外觀質(zhì)量缺陷比較多的工序，實(shí)際生產(chǎn)中往往會(huì)因?qū)η羞吂ば虻闹匾暡粔蚝褪韬?，?dǎo)致批量質(zhì)量問題的發(fā)生。

切邊過程中的質(zhì)量問題有：

（1）切邊導(dǎo)致的彎曲、翹曲等變形。對(duì)閥體鍛件最易發(fā)生的變形就是切邊后發(fā)生“八”字形變形。切邊變形與切邊凸模的設(shè)計(jì)、切邊凹模的設(shè)計(jì)、凹凸模之間的間隙、凹模鋒口的銳鈍、飛邊橋部的厚度、切邊溫度，甚至跟鍛模的疲勞損傷等存在影響關(guān)系。

（2）鍛件表面壓傷。在生產(chǎn)中往往會(huì)遇到切邊時(shí)切邊凸模邊緣出現(xiàn)毛刺或者黏上異物而導(dǎo)致將鍛件壓傷的情況，解決方法為：一方面要保證切邊凸模的設(shè)計(jì)制造質(zhì)量和使用過程中的維護(hù)，另一方面要對(duì)切邊時(shí)受壓面進(jìn)行關(guān)注，一旦有壓傷跡象應(yīng)及時(shí)修復(fù)。

（3）切邊殘留飛邊過大。殘留飛邊過大與切邊凹凸模的間隙、切邊溫度過低有關(guān)。

（4）切邊“刮肉”。切邊痕帶過高或者將本體切去部分的現(xiàn)象稱作“刮肉”。“刮肉”現(xiàn)象既影響產(chǎn)品美觀，又會(huì)導(dǎo)致鍛件被壓癱、變形等質(zhì)量問題；凹模輪廓過小、切邊溫度過高、鍛模發(fā)生坍塌外漲、切邊時(shí)鍛件沒有擺放平整等都有可能引起“刮肉”現(xiàn)象發(fā)生。

（5）切邊開裂。對(duì)于410材質(zhì)的閥體鍛件，切邊時(shí)容易出現(xiàn)切邊裂紋，這是由于切邊溫度低，尤其是當(dāng)飛邊與本體連接處的溫度低于終鍛溫度時(shí)，這時(shí)候該處材料塑性低，切邊時(shí)發(fā)生拉裂。避免低溫切邊，出現(xiàn)低于終鍛溫度的情況時(shí)進(jìn)爐升溫至合適溫度再切邊，合理設(shè)計(jì)飛邊橋部的厚度等都是解決切邊裂紋的途徑之一。

（6）切邊后摔傷。切邊后鍛件自由落體后的摔傷是較容易疏忽也是最容易解決的，摔傷常見的類型有磕碰、摔變形、砸到硬物之上而產(chǎn)生的刺傷；減小自由落體高度、設(shè)計(jì)緩沖裝置、及時(shí)清掃切邊時(shí)落在切邊模下方的毛刺等都是避免鍛件摔傷的措施。

3.3.5 鍛后冷卻

切邊完工也即鍛造完工后的鍛件冷卻是非常重要的，對(duì)于4130材質(zhì)的閥體鍛件來說，要求鍛后空冷；410材質(zhì)的閥體鍛件，鍛后應(yīng)采用緩冷方式冷卻，一般是在200℃砂坑或爐渣中緩冷，并應(yīng)于鍛后12小時(shí)內(nèi)進(jìn)行退火，以消除內(nèi)應(yīng)力，避免在以后的存放過程中產(chǎn)生裂紋。冷卻過程中，應(yīng)防止有水噴濺到鍛件上。

冷卻過程中常見的質(zhì)量問題有：

（1）冷卻變形。對(duì)于閥體、閥蓋這類厚度相對(duì)大的鍛件來說，冷卻變形不是很明顯，避免極冷、受潮受濕一般可以避免此類缺陷。

（2）冷卻裂紋。冷卻裂紋是由于鍛后冷卻速度過快，材料產(chǎn)生了較大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力所致。410這類馬氏體不銹鋼容易發(fā)生冷卻裂紋，故須特別注意冷卻速度。

3.4 正火/退火

正火/退火的作用可以降低鍛件的硬度以利于后續(xù)機(jī)加工、改善材料組織為最終熱處理做準(zhǔn)備。正火/退火使用的加熱爐要按照《ANSI/API Spec 6A井口裝置和采油樹設(shè)備規(guī)范》第20版附錄M“熱處理設(shè)備的限定條件”進(jìn)行鑒定[14]合格后方可應(yīng)用。在制定工藝時(shí)，應(yīng)根據(jù)待處理的工件的特征（材料、處理前的狀態(tài)及形狀、尺寸等）、批量、熱處理目的、熱處理設(shè)備和品質(zhì)要求等條件來制定合理的熱處理工藝[15]。正火/退火熱處理的工藝應(yīng)包括：①裝爐圖。規(guī)定裝爐量、裝爐方式及堆放形式；②加熱曲線。制定裝爐溫度、升溫速率、保溫溫度和保溫時(shí)間等參數(shù)；③冷卻方式。應(yīng)規(guī)定加熱后的冷卻方式，根據(jù)工藝的目的不同，確定選擇出爐空冷、風(fēng)冷、出爐緩冷和隨爐冷卻中的一種。

對(duì)于4130材質(zhì)的閥體鍛件來說，鍛后進(jìn)行的是正火工藝，正火后硬度范圍HBW170～217；對(duì)于410材質(zhì)的閥體鍛件來說，鍛后進(jìn)行的是不完全退火工藝，硬度范圍是HBW170～229。

為了保證鍛件產(chǎn)品最終熱處理（淬火回火）時(shí)的穩(wěn)定性，閥體鍛件的正火/退火工藝的硬度偏差值應(yīng)按《GB/T 16923-2008鋼件的正火與退火》中的優(yōu)于或等于二級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收，即：?jiǎn)蝺r(jià)硬度散差值不大于25HBW、同批硬度散差不大于35HBW來控制。由于閥體鍛件最終要進(jìn)行淬火回火的熱處理而沒有單獨(dú)對(duì)正火/退火后的金相組織相關(guān)的要求，但一般要求4130材質(zhì)的正火后的組織為均勻的鐵素體+珠光體，410材質(zhì)的退火后的組織為鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體的混合組織[16]。

鍛后的正火/退火工序常見的質(zhì)量問題有：①硬度過高或過低；②硬度不均、硬度偏差超差。

3.5 鍛件的表面清理

閥體鍛件表面不允許存在氧化皮凹坑、切邊毛刺等外觀缺陷，故須在表面清理前由人工進(jìn)行上述缺陷的打磨。打磨要力求均勻、圓滑，尤其是切邊的位置。打磨后的鍛件，通常需要進(jìn)行拋丸來除掉表面的氧化皮，有的需要進(jìn)行酸洗以更利于表面缺陷的檢測(cè)。拋丸一般使用直徑0.8mm的鋼砂進(jìn)行拋丸，拋丸時(shí)間視拋丸設(shè)備和裝入量而定。拋丸后進(jìn)行防銹處理，可采用噴灑和沉浸防銹液的方式進(jìn)行。

打磨和拋丸工序常見的質(zhì)量問題有：①打磨不完善；②拋丸后殘留氧化皮（一般發(fā)生在鍛件內(nèi)腔或角落處）。

3.6 標(biāo)識(shí)和入庫

從原材料進(jìn)入生產(chǎn)，到鍛件產(chǎn)品完工，都要對(duì)每一件坯料、鍛件進(jìn)行標(biāo)識(shí)，標(biāo)識(shí)的內(nèi)容至少要包括型號(hào)名稱、材質(zhì)、爐號(hào)、批次號(hào)信息，在每個(gè)過程中應(yīng)控制輸出的唯一性標(biāo)識(shí)，且應(yīng)保留所需的形成文件的信息以實(shí)現(xiàn)可追溯[2]。標(biāo)識(shí)應(yīng)書寫工整、清晰、不易消逝。

3.7 鍛造過程中總鍛造比的計(jì)算

完工鍛件鍛造比（也叫鍛造壓縮率）是所有熱成形加工操作壓縮率的乘積，包括原始材料壓縮和隨后每次熱成形加工操作。當(dāng)原始材料或鍛件的橫截面不同時(shí)，應(yīng)采用鍛造比計(jì)算結(jié)果最小的橫截面，鑄錠或連鑄坯到鍛件產(chǎn)品的總鍛造比應(yīng)大于或等于4∶1[1]。

閥體鍛造過程中鍛造比體現(xiàn)在三個(gè)方面：①制坯過程中的鐓粗工序，一般為1.3～1.6之間；②制坯過程中的拔長(zhǎng)工序，一般為1.3～1.6之間；③終鍛成形過程，一般為1.2～1.4之間。

總鍛造比 R總=Ru×Rd×Rf

式中：R總——整個(gè)鍛造過程中的總鍛造比；

Ru——鐓粗工序中的鍛造比；

Rd——拔長(zhǎng)工序中的鍛造比；

Rf——壓力機(jī)上終鍛工序中的鍛造比。

因此，總的閥體在鍛造過程中的鍛造比一般介于2～3.5之間，考慮鍛材或軋材制作過程中的鍛造比，可以滿足規(guī)范的要求。

4 結(jié)語

在競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的今天，質(zhì)量對(duì)于一個(gè)企業(yè)的重要性日益明顯，產(chǎn)品質(zhì)量的高低是企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的體現(xiàn)。提高產(chǎn)品質(zhì)量是保證企業(yè)占有市場(chǎng)，能夠持續(xù)經(jīng)營(yíng)的重要手段。完善的過程控制實(shí)施是提高產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，只有切實(shí)完善每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的可控性和可靠性，盡可能多地發(fā)現(xiàn)并解決影響產(chǎn)品質(zhì)量的每一個(gè)因素，才能使產(chǎn)品質(zhì)量得以保障和不斷提高，使企業(yè)更具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

[1]API Standard 20C，石油天然氣工業(yè)用閉模鍛件（第2版）[S].

[2]GB/T 19001-2015/ISO 9001：2015，質(zhì)量管理體系 要求[S].

[3]API Spec Q1，石油天然氣行業(yè)制造企業(yè)質(zhì)量管理體系規(guī)范（第9版）[S].

[4]何文武，郭會(huì)光，劉建生.鍛造裂紋的分析與防治[J].鍛壓技術(shù)，2010，35（1）：16-19.

[5]夏巨諶.中國模具工程大典（第5卷）鍛造模具設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[6]GB/T 25135-2010，鍛造工藝質(zhì)量控制規(guī)范[S].

[7]鐘 瑋，趙升噸，王澤陽，等.提高棒料下料斷面質(zhì)量途徑探討[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2016，51（2）：77-83.

[8]GB/T 3077-2015，合金結(jié)構(gòu)鋼[S].

[9]中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)塑性工程學(xué)會(huì).鍛壓手冊(cè)：鍛造（第1卷）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[10]錢喜根，黃 瑤，王雷剛，等.1Cr13環(huán)鍛件熱加工工藝優(yōu)化[J].鍛壓技術(shù)，2012，37（5）：70-73.

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[12]姚澤坤.鍛造工藝學(xué)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

[13]胡亞民，華 林.鍛造工藝過程及模具設(shè)計(jì)[M].北京：中國林業(yè)出版社，2006.

[14]ANSI/API Spec 6A，井口裝置和采油樹設(shè)備規(guī)范（第20版）[S].

[15]GB/T 16923-2008，鋼件的正火與退火[S].

[16]崔忠圻，劉北興.金屬學(xué)與熱處理原理（第1版）[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

Process control of forging quality for API 20C valve body

YAO Fengsheng
（Jinan Xingyue Machinery Co.,Ltd.,Jinan 250203,Shandong China）

In order to ensure the valve body forgings meet API 20C requirement and production process rule,on the basis of process quality control method and forging technology,the measures of quality control in each process have been introduced according to the production process of valve forging.Theoperating rules and quality defects in each production process have been described.Based on the quality control method of thedecomposition process,the early quality planning and control of the key process have been carried out,which is conducive to product quality control.Based on the research of different documents and parameter optimization,as well as the experience accumulated in practical operation,the heating specification,the forging temperature range,the cooling after forging,and heat treatment process of 4130 steel&410 steel have been ascertained,which are commonly used in the valve body.Thus in this way,the quality performance of valve forgings is easier to be ensured.After a long period of operation,either the product quality or the qualitycontrollability have been remarkable improved,which has good practicability.

Closed die forging;Forging;Quality control;Manufacturing procedure specification;

TG316；TG317

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.03.026

1672-0121（2017）03-0089-07

2016-12-23；

2017-02-24

姚鳳勝（1979-），男，助理工程師，從事鍛壓工藝設(shè)計(jì)。E-mail：365406798@qq.com