新FM鍛造法在大型軸類鍛件生產(chǎn)中的應(yīng)用
摘要：采用新FM鍛造法，瞬時(shí)砧寬比控制在0.35～0.6之間，瞬時(shí)料寬比控制在0.8～1.2之間，壓下率選擇11％ ，可獲得理想的壓實(shí)效果，實(shí)現(xiàn)小壓機(jī)鍛造大鋼錠。
1、前言
隨著電力、冶金、船舶工業(yè)等裝備制造業(yè)向大型化、高標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展，對大鍛件內(nèi)部質(zhì)量的要求也越來越嚴(yán)。我們通過對新FM鍛造法的應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)了在不升級設(shè)備能力的前提下，成功生產(chǎn)出符合高探傷標(biāo)準(zhǔn)的大型軸類鍛件的目標(biāo)。最大鐓粗鋼錠25t，探傷合格率達(dá)到90％以上，實(shí)現(xiàn)了低成本競爭。
新FM鍛造法的實(shí)質(zhì)是在FM鍛造法基礎(chǔ)上增加料寬比的控制，通過控制變形過程中變形體的形狀實(shí)現(xiàn)坯料心部軸向和橫向壓應(yīng)力，達(dá)到壓實(shí)疏松組織的目的。相比KD、WHF方法來說，新FM鍛造法省力，適合在較小壓機(jī)上鍛造大規(guī)格鋼錠 。
隨著國內(nèi)學(xué)者對拔長過程研究的不斷深入，準(zhǔn)確的分析了平砧拔長過程中變形體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)，解釋了當(dāng)壓縮矩形截面寬度方向時(shí)料寬比遠(yuǎn)小于1易萌生拉應(yīng)力裂紋，壓縮高度方向時(shí)砧寬比料寬比遠(yuǎn)大于1易萌生剪應(yīng)力裂紋的原因。新FM鍛造法可以有效的避免和改善這兩種應(yīng)力狀態(tài)，增大變形體心部靜水壓力，并且不需要大砧寬比。許多實(shí)驗(yàn)?zāi)M都證明了這一點(diǎn)，并且在模塊等板類鍛件的生產(chǎn)應(yīng)用中取得了良好效果。同時(shí)，對于新FM鍛造法砧寬比、料寬比、壓下率參數(shù)匹配的研究也在不斷進(jìn)行。目前，新FM鍛造法已逐漸在板類鍛件生產(chǎn)中得到應(yīng)用，但在軸類鍛件上的實(shí)踐卻較少。
本文詳細(xì)介紹了在25 MN水壓機(jī)上鐓粗18 t～25 t中低碳碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼鋼錠，使用500mm平砧生產(chǎn)直徑Φ700 mm以上大型軸類鍛件的工藝參數(shù)。
2、工藝參數(shù)的選擇
2.1 砧寬比、料寬比與壓下率的匹配
根據(jù)文獻(xiàn)介紹，要保證變形體內(nèi)不出現(xiàn)軸向和橫向拉應(yīng)力，應(yīng)控制瞬時(shí)砧寬比W/H≥0.4、料寬比B/H>~0.83～1.2之間。文獻(xiàn)介紹了在不同砧寬比、料寬比條件下不出現(xiàn)軸向、橫向拉應(yīng)力的最小壓下率。在實(shí)際操作過程中，受上砧寬度和坯料大小限制，瞬時(shí)砧寬比較小，砧寬比和料寬比不一定能同時(shí)滿足要求，這時(shí)首先要保證有效壓縮砧寬比W/H≥0.35，達(dá)到0.5較為理想。大型軸鍛件的軸身直徑大于砧寬，料寬比參數(shù)容易控制在0.83～1.2之間，壓縮過程中不會(huì)出現(xiàn)剪切狀態(tài)，可以通過調(diào)整每趟壓下率保證壓實(shí)效果 。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)瞬時(shí)砧寬比W/H在0.35～0.6之間，瞬時(shí)料寬比B/H在0.8～1.2之間，壓下率在11％左右時(shí)可以獲得理想的壓實(shí)效果。
壓下率和鼓肚率指標(biāo)在文獻(xiàn)中有推薦范圍。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于大鋼錠加熱保溫時(shí)間很長，溫度不均勻(俗稱陰陽面)現(xiàn)象很普遍。單面壓縮時(shí)鼓肚部位和鼓肚率受溫度影響很大，實(shí)際參數(shù)與模擬試驗(yàn)參數(shù)相去甚遠(yuǎn)。計(jì)算單面壓縮率時(shí)，除第一趟拔長壓縮面是均勻變形外，拔長其它趟時(shí)壓縮面變形率是不一致的。溫度高的部位鼓肚率大且靠近上砧一側(cè)，翻轉(zhuǎn)90°后壓縮面變形率相差2％～6％。當(dāng)鍛件溫度高且不均勻性大時(shí)，計(jì)算鼓肚率和每趟的壓下率是很困難的。較為簡單實(shí)用的辦法是，不算鼓肚率，按照每次拔長時(shí)不鼓肚部位變形量來控制壓下率10％～12％ ，鼓肚部位變形率約10％～18％。當(dāng)砧寬比較小時(shí)，壓下率宜取大值。
2.2 翻轉(zhuǎn)方式與拔長趟數(shù)的設(shè)計(jì)
FM鍛造法與WHF鍛造法相比在國內(nèi)應(yīng)用普及的程度要低很多，主要原因是FM鍛造法的不對稱變形易使軸線偏移。而事實(shí)上大鋼錠加熱溫度不均勻幾乎是不可避免的，單面壓縮結(jié)合壓下量的調(diào)整正好是解決軸線偏移的方法之一，這一點(diǎn)對于很多高轉(zhuǎn)速大軸非常重要。相對0°、180°翻轉(zhuǎn)上下兩面壓縮后翻轉(zhuǎn)90°的方式來說，采用每次90°翻轉(zhuǎn)的方式，操作更方便也更易于控制變形坯料的形狀，尤其是可以解決較大變形量時(shí)瞬時(shí)料寬比超過1.2的問題。大鋼錠鐓粗后拔長比一般不低于3，拔長趟數(shù)一般設(shè)計(jì)在主變形階段每面走兩趟即可滿足壓實(shí)疏松缺陷的目的。太多次的單面壓縮沒有增加更多的變形效果反而增加設(shè)備負(fù)荷和火次。需要注意的是拔長滿砧送進(jìn)時(shí)需要留30 mm～50 mm的砧間搭接，尤其是鐓粗后坯料較短時(shí)拔長不同趟次應(yīng)分別從水冒口端壓起。
2.3 溫度、火次與晶粒度
大鋼錠變形抗力很大，為了充分壓實(shí)心部疏松組織必須通過提高加熱溫度和延長保溫時(shí)間來降低變形抗力，同時(shí)高溫修復(fù)缺陷在很多文獻(xiàn) 中都有介紹，生產(chǎn)實(shí)踐也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。常見中低碳合金結(jié)構(gòu)鋼通?？商岣呒訜釡囟?0～50℃ ，在鐓粗前后延長1/2～3/4保溫時(shí)間。
對于34CrNi3Mo等大鋼錠保溫時(shí)間需8h以上。FM拔長工序通常設(shè)計(jì)為一火完工，但是遇到設(shè)備壓力不足鋼錠溫降過快以及拔長趟數(shù)過多時(shí)易造成增加火次。這時(shí)若回爐加熱應(yīng)將高面立起來，加熱約3 h～4 h后，按原工藝執(zhí)行或適當(dāng)調(diào)整壓下量做到4面均勻變形。相比普通平砧拔長，新FM工藝提高了壓縮的靜水壓力，細(xì)化晶粒的作用非常大。包括在拔長過程中多次回爐加熱和拔長比小于2.5的情況下，經(jīng)相同鍛后熱處理工藝，實(shí)際生產(chǎn)的鍛件晶粒度均達(dá)到了6～7級，而普通平砧拔長鍛件晶粒度只有4～5級。這對于提高大型軸類鍛件的強(qiáng)韌性，降低韌脆轉(zhuǎn)化溫度很有意義。
3、生產(chǎn)實(shí)踐
表1是采用20t鋼錠生產(chǎn)12.6 t 42CrMo齒輪軸的新FM鍛造工藝。工藝設(shè)計(jì)思路是一次鐓粗滿足鍛比要求。在瞬時(shí)砧寬比為0.35～0.6階段進(jìn)行FM法拔長，隨后換上下平砧拔八方、號印(分料)、精鍛、切件?？紤]到變形抗力較大，鐓粗及FM拔長前進(jìn)行1280℃ 高溫保溫，平砧拔長階段降低溫度至1 200℃ ，4火完工。
表2是新FM拔長參數(shù)表。拔長過程中瞬時(shí)砧寬比控制在0.35～0.6之間，瞬時(shí)料寬比控制在0.92～1.07之間，壓下率11％，每次翻轉(zhuǎn)90°。該工藝可有效壓實(shí)鋼錠疏松組織，解決了原平砧拔長工藝超探心部Φ4 mm～Φ8 mm密集性缺陷當(dāng)量超標(biāo)的問題，符合JB／T 5000.15=1998Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)要求。
4、結(jié)論
(1)當(dāng)瞬時(shí)砧寬比W/H在0.35～0.6之間，瞬時(shí)料寬比B/H在0.8～1.2之間，壓下率為11％ 時(shí)，F(xiàn)M拔長可以獲得理想的壓實(shí)效果。
(2)每面拔長2趟，滿砧送進(jìn)砧間搭接30mm～50mm，不同趟數(shù)分別從水冒口端壓起，每趟翻轉(zhuǎn)90°。
(3)在坯料高度和溫度不均勻的影響下，同一面鼓肚率不一致。靠近上砧和溫度高的部位鼓肚率較大，除第一趟拔長外，同一壓縮面變形率約差2％～6％。
(4)新FM法拔長需要在比工藝規(guī)范高30～50℃ 的高溫和長時(shí)間保溫條件下獲得理想的熱力學(xué)狀態(tài)，充分壓實(shí)疏松組織。
(5)新FM法拔長相比普通平砧拔長可強(qiáng)化晶界，細(xì)化晶粒，增強(qiáng)了超聲波透聲性，為后續(xù)熱處理獲得理想的綜合力學(xué)性能創(chuàng)造有利條件。
