筒类锻件的锻造工艺

马廷威 叶妮佳 王玉红 刘志华 马 谦 刘 巍

(1.中冶京诚(营口)装备技术有限公司，辽宁115004； 2.渤海石油装备巨龙钢管南京公司，江苏210061)

筒形件是锻造行业中的一个重要种类。随着我国重型装备制造业的发展，大型筒类零件的应用越来越多，这就给大型自由锻行业提供了难得的商机。但是由于大型筒类零件的重量大，工艺复杂，锻造工序多，容易出现质量问题，也给锻造带来了很大的难度。

我公司订购了一种大型筒类件，材质为20SiMn，锻件的重量为52 890 kg，需要使用83 t钢锭生产，利用率为63.7%。设备采用80 MN液压机，锻比为3.4。锻件图见图1。交货要求：(1)硬度≥140 HBW；(2)常温力学性能：Rm≥470 MPa，Rp0.2≥260 MPa，A5≥16%，Z≥30%，AKV≥24 J；(3)超声检测按ASTM A 388 05执行。

图1 锻件图Figure 1 Forging drawing

1 准备

1.1 化学成分

为了更好的控制锻件质量，在成本允许范围内尽可能降低S、P等夹杂。内控化学成分要求见表1。

表1 锻件的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of forging (mass fraction,%)

1.2 冶炼及工艺路线

为了保证顺利生产出合格的锻件，钢锭采用真空冶炼、真空浇注的方法，以提高钢水的纯净度，减少钢锭的偏析、缩孔等缺陷。

工艺路线为：电炉(真空冶炼)→铸锭(真空浇注)→热送锻造厂→锻造→锻后热处理→检验→无损检测→力学性能试验→粗加工→交货。

2 锻造工艺

2.1 工艺的分析

锻件外圆直径为∅2 480 mm，高度H=1 995 mm。本厂83 t钢锭实际情况为：八棱，小头1 625 mm，大头1 880 mm，锭身高3 155 mm，锭身重64 830 kg。根据锻件的形状可以采用以下两种工艺方案：

方案一，按照圈类件锻造，只需要镦粗到锻件的高度，然后经过扩孔工序即可完成。

第1火次：压钳口，倒棱，拔长到∅1 650 mm，长度约3 780 mm，下料∅1 650 mm×3 450 mm，水口切除150 mm。

第2火次：镦粗钢锭至H=2 300 mm、∅2 000 mm左右，冲∅850 mm孔，平端面。

第3～4火次：扩孔至锻件尺寸，精整出成品。

方案一的镦粗比为1.4，扩孔比为1.2，锻比太小不能满足锻件性能的需要。在第2火次冲孔的时候由于锻件高度太高，容易冲偏，造成废品。

方案二，按照筒类件锻造，则需要镦粗到一定高度，然后经过拔长、扩孔工序即可完成。

第1火次：压钳口，倒棱，拔长到∅1 650 mm，长度约3 780 mm，下料∅1 650 mm×3 400 mm，水口切除200 mm。

第2火次：镦粗钢锭至H=1 000 mm、∅2 990 mm左右，冲∅850 mm孔，平端面。

第3～4火次：拔长至长度约2 000 mm，扩孔至锻件尺寸，精整出成品。

方案二的镦粗比为3.4，拔长比为1.5，使用空心冲子冲孔，把钢锭中心位置质量不好的部分去除，能够满足锻件性能的需要。

通过综合分析以上两种方案，决定采取第二种方案。为了保证锻件的力学性能和无损检测要求，锻合钢锭内部的孔洞与疏松，破碎钢锭中的铸态组织，获得性能良好的锻件，采用大的镦粗比和空心冲孔。

2.2 锻后正回火工艺

锻后采用正回火，工艺如图2所示。通过锻后正回火处理，细化晶粒，消除组织应力，达到要求的力学性能。

图2 热处理工艺Figure 2 Heat treatment process

2.3 检验

正回火后，对锻件进行检验。长度尺寸稍微超差，外径合格，内径端部有裂纹，但不影响零件尺寸。按照ASTM A 388 05规定进行检测，结果符合零件的要求。划线，粗加工，按照图纸要求进行取样(图3)。取切向试样：两组拉伸试样(每组一拉三冲)，两组轴向试样(每组一拉三冲)。经过试验，力学性能符合要求。

图3 力学性能取样图Figure 3 Sampling drawing for mechanical property test

3 锻造容易产生的缺陷及预防措施

3.1 端面不平

锻件端面不平是筒类件常见的问题，造成原材料的浪费和机加工时的增加，所以在冲孔和扩孔后尽可能的进行平头。

3.2 端部裂纹

造成端部产生裂纹的原因有很多，如锻造时芯棒导热，端面与空气接触，造成端面温度降低，当锻件来回翻转的时候，在应力的作用下就会产生裂纹。因此锻造时尽可能的先锻造两端，然后再进行中间部分的锻造，这样能在一定程度上减轻裂纹的程度[1]。

3.3 内表面裂纹

冲子或芯棒的表面不光滑，冲孔时内表面产生小裂纹，芯棒拔长时裂纹不断扩展。因此要重视冲子外径的光滑程度，减少裂纹的产生。

3.4 壁厚不均

冲子冲孔时冲偏，加热温度不均匀，锻造力不均匀及工人操作水平等都会造成壁厚不均。因此避免冲偏，保证加热温度均匀，锻造力趋于一致都会减少壁厚不均的程度[2]。

4 结论

通过双真空冶炼铸锭控制钢锭的原始缺陷，采用合理的工艺方案，提高了锻件的内部质量，制造出力学性能和无损检测均符合要求的锻件。

[1] 柳永宏. 大型长筒锻造经验[J].大型铸锻件，1998，2：25-26.

[2] 纪勇. 长筒类锻件常见质量问题与解决方法[J].大型铸锻件，2008，4：46-47.