李七平,潘 強(qiáng)

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限責(zé)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(jī)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(duì)一個(gè)鍛造廠的經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)產(chǎn)生重大影響。軸類鍛件的質(zhì)量、成本基本代表了一個(gè)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(jìn)行熱態(tài)鍛造的目的之一,在于用壓力使鋼錠凝固過(guò)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(lái)越大,鍛造所使用的鋼錠也愈來(lái)愈大型化。為適應(yīng)生產(chǎn)的需要,自上世紀(jì)70年代以來(lái),國(guó)內(nèi)外鍛件生產(chǎn)廠家研究開(kāi)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(xué)技術(shù)和研究工作的進(jìn)一步深人,新的鍛造方法正朝著精細(xì)化、最佳化方向發(fā)展。傳統(tǒng)的鍛造工藝?yán)碚摷肮に噮?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(duì)工藝員而言,經(jīng)驗(yàn)性的知識(shí)往往占主導(dǎo)因素,而且這類經(jīng)驗(yàn)性的知識(shí)絕大多數(shù)都是定性類的,缺乏定量化的準(zhǔn)則,比如在工藝編制中,一般只考慮少數(shù)幾個(gè)工藝參數(shù)對(duì)鍛件進(jìn)行宏觀控制,如鍛造比、砧寬比、壓下量、鍛造溫度等,而對(duì)大鍛件工藝過(guò)程中的具體細(xì)節(jié)往往沒(méi)有詳細(xì)規(guī)定,工藝編制過(guò)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(shí)際質(zhì)量控制和最終質(zhì)量結(jié)果埋下了巨大隱患[3]?，F(xiàn)行的鍛造工藝對(duì)實(shí)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(xì)化問(wèn)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(shí)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(wèn)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(shí)證明,實(shí)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(shuō)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(jiǎn)潔、火次最少、不鐓粗或小鐓粗,并且使操作時(shí)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(shí)工藝準(zhǔn)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(lái)在大型軸類鍛件領(lǐng)域理論和實(shí)踐探索,目前已經(jīng)公認(rèn)軸類鍛件的鍛造過(guò)程必須分階段完成。主要分成以下三個(gè)階段:

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

第二階段:徹底鍛合內(nèi)部孔隙性缺陷,同時(shí)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(xué)參數(shù)的鍛造方法(控制鍛造)來(lái)控制混晶的產(chǎn)生。

這里需要注意的是,三個(gè)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(shí)工藝準(zhǔn)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(shí)臨界條件,該準(zhǔn)則具有很強(qiáng)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?shí)臨界條件”,簡(jiǎn)單說(shuō)即以下2條:

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

(2)主變形過(guò)程中,鍛坯心部溫度T芯≥1050℃。

由于大型鍛件的壓實(shí)鍛造過(guò)程,大多是在拔長(zhǎng)變形過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的。而大型壓機(jī)操作最簡(jiǎn)便、最常用的拔長(zhǎng)方法主要有:上下平砧傳統(tǒng)拔長(zhǎng)、上下平砧連續(xù)拔長(zhǎng)、FM法拔長(zhǎng)這3種形式。其中,上下平砧傳統(tǒng)拔長(zhǎng)是每拔長(zhǎng)一趟翻轉(zhuǎn)90°;而上下平砧連續(xù)拔長(zhǎng)時(shí),其連續(xù)的趟數(shù)為2、3、2、2、2……;FM 法拔長(zhǎng)是使用上平砧、下平臺(tái)(或轉(zhuǎn)臺(tái)),該方法拔長(zhǎng)時(shí)的翻轉(zhuǎn)為0°、180°、90°、180°、90°、180°……[8]。

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

這里我們舉一個(gè)實(shí)際例子加以說(shuō)明:有一個(gè)軸鍛件,材質(zhì)為42Cr Mo A,大徑尺寸φ900 mm,鍛件總長(zhǎng)3600 mm,除滿足規(guī)定的力學(xué)性能要求外,還要求滿足超聲波探傷1級(jí)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(jì)算,鍛件重13 050 kg,選用18.5 t自煉鋼錠。

對(duì)于FM法拔長(zhǎng),根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)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(shí)工藝準(zhǔn)則”,在采用上砧砧寬B=700 mm下平臺(tái)的FM法的拔長(zhǎng)程序中,判斷符合有效壓實(shí)鍛造法的有效趟數(shù),用700 mm×0.8÷0.4=1400 mm(考慮有效進(jìn)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(gè)有效趟數(shù),只要拔長(zhǎng)大于或等于8趟即可。根據(jù)表2的拔長(zhǎng)程序,用砧寬B=700 mm上平砧下平臺(tái)進(jìn)行的FM拔長(zhǎng)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(shí)操作。對(duì)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(guò)15%。

在主拔長(zhǎng)階段結(jié)束后,還必須進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散加熱,這是必不可少的步驟。因?yàn)殡m然主拔長(zhǎng)滿足了ε1≥0.6的臨界變形條件,坯料內(nèi)部已經(jīng)實(shí)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(jìn)一步實(shí)現(xiàn)組織均勻化,從而獲得均勻的力學(xué)性能,仍需要一定時(shí)間的高溫?cái)U(kuò)散加熱來(lái)實(shí)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(zhǎng)操作中,操作工通?？偸遣桓覊哼^(guò)鍛件尺寸,那么在同樣鍛比的條件下,其內(nèi)部壓實(shí)鍛透效果就會(huì)差很多,甚至?xí)?dǎo)致鍛件檢測(cè)不合格。坯料主拔長(zhǎng)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(diǎn)都會(huì)有變形,不會(huì)出現(xiàn)粗晶、混晶和熱態(tài)組織遺傳的情況,滿足工藝準(zhǔn)則第三階段的要求。鍛件工藝卡見(jiàn)表1。

表1 42Cr Mo A軸鍛造工藝

表2 FM法拔長(zhǎng)42Cr Mo A軸的實(shí)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(zhǎng)42Cr Mo A軸的實(shí)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(gè)面壓下約40 mm)至φ1000 mm、錯(cuò)底,入爐,進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散加熱,適當(dāng)延長(zhǎng)高溫階段保溫時(shí)間,確保燒勻燒透。

(2)第二火,在鐓粗漏盤(pán)中鐓粗,坯料鐓粗至外徑φ1600 mm。之所以沒(méi)有鐓粗至更大尺寸,一是太大尺寸給后序拔長(zhǎng)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(jìn)行FM操作顯得上砧過(guò)寬,所以只考慮采用B=700 mm上平砧。

用B=700 mm上平砧、下平臺(tái)進(jìn)行FM法拔長(zhǎng)。拔長(zhǎng)時(shí)的翻轉(zhuǎn)順序?yàn)?°、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(cuò)半砧壓下一趟。根據(jù)任猛提出的“有效壓實(shí)工藝準(zhǔn)則”,只有壓下前直徑D≤700 mm×0.8÷0.4=1400 mm(考慮有效進(jìn)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(zhǔn)則,有效趟數(shù)在8～12就可以滿足鍛透壓實(shí)的要求。表2給出了有效趟數(shù)共9趟。其實(shí),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(shí)要求。最終拔成扁方1120 mm×820 mm,入爐高溫?cái)U(kuò)散加熱。之所以采用高溫?cái)U(kuò)散加熱,是為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)組織均勻化,從而獲得均勻的力學(xué)性能。

(3)第三火,采用B=700 mm的上下平砧進(jìn)行普通拔長(zhǎng),將扁方拔成正方。拔長(zhǎng)程序見(jiàn)表3。經(jīng)過(guò)3趟拔長(zhǎng),鍛成截面尺寸900 mm×900mm,然后倒八方,滾圓,卡臺(tái),鍛兩邊的臺(tái)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(shí)際鍛比,沒(méi)有包括鋼錠倒棱時(shí)的鍛比和坯料鐓粗時(shí)的鐓粗比。

其中,用FM鍛造法進(jìn)行壓實(shí)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(xì)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(xì)化工藝準(zhǔn)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(shí)階段與鍛件的最終成形階段有效分開(kāi),且鍛壓工藝路線應(yīng)盡可能簡(jiǎn)潔、火次少、不鐓粗或小鐓粗,并且使操作時(shí)間最短、鍛比最小、效率最高。

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

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

(4)在主拔長(zhǎng)結(jié)束階段,坯料應(yīng)鍛成扁方,同時(shí)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(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散加熱。

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