低碳经济下的热模锻造

文／吴玉坚·东风锻造有限公司

低碳经济下的热模锻造

文／吴玉坚·东风锻造有限公司

吴玉坚，副总经理，研究员级高工，全国锻压标准化技术委员会副主任，主要从事汽车零部件热模锻造技术的研究工作，获湖北省科技进步奖、发明奖各1项，中国汽车工业科技进步奖3项，拥有发明专利和实用新型专利各1项。

近十年我国汽车产业迅猛发展，汽车的产销量已跃居全球之首，带动着整个汽车锻件市场发展到了一个新高度，汽车模锻件总产量达到了480万吨以上。伴随着经济的快速发展，我国的资源消耗也已名列世界第一，能源单耗是美国的4.3倍、德国和法国的7.7倍、日本的11.5倍。在全球碳排放量排名中，我国已远远超过其他国家。

热模锻造的现状

与冷、温锻造相比，热模锻造在尺寸精密程度、表面光洁度等方面没有优势，而且相对前两者还增加了坯料的加热能耗，但热模锻造良好的热态成形塑性使其产品范围宽广，尺寸大、形状复杂的产品只能采用热模锻造成形，汽车模锻件中热模锻造产品的占比在90%以上。

在热模锻造生产中，零件因形状以及成形难易程度不同，其材料利用率会有较大的差异，不过大部分产品的材料利用率都在65%～85%之间。近几年，汽车模锻件所消耗的原材料近千万吨，原材料炼铁、炼钢和轧制的年综合耗能总量在几百万吨标煤以上，产生了几十亿标准立方米的烟气、灰尘以及二恶英、呋喃等有毒物质。因此，节材就是最大的节能、减排。

东风锻造的低碳之道

东风锻造有限公司(以下简称“东风锻造”）始建于1969年，以热模锻造为主要生产工艺，拥有从18～125MN的全系列热模锻压力机，具备年产15万吨热模锻件的生产能力，原材料、动能消耗约占总成本的60%和10%。作为直接承担节能减排任务最前沿的具体实践者，东风锻造始终把节材、节能、减排工作放在首位，并与提升企业竞争力紧密结合。东风锻造在现有技术的基础上，按照热模锻造绿色、可持续发展的路径图，展开低碳生产的具体实践，积极履行企业的市场责任、环境责任、社会责任，为相关利益方持续创造价值。

选择“绿色”材料

材料是锻造的一个重要成本因素，也是决定锻件性能与功能的重要因素。材料的选择要从全价值链上成本最低、全过程中能耗最少、排放最低等方面考虑，如连铸连轧钢、非调质钢等都是东风锻造优先选择的“绿色”材料。

连铸连轧钢比模铸钢成材率高百分之十几，能耗也相应节省10%～15%，连铸连轧钢省去了中间再次加热轧制材料的能耗，有明显的成本优势。东风锻造90%以上的产品采用连铸连轧钢，其余在上量的产品也正逐步由模铸钢换为连铸连轧钢。

非调质钢是采用微合金化冶炼方法，在中碳钢或中碳锰钢中加入一定的微量元素(如V、N、Nb、Ti等，它们起析出强化和细化晶粒的作用），通过控制其热加工及轧后冷却工艺使其强度、硬度和韧性提高来达到调质钢的性能水平的。采用非调质钢生产的零件在锻造成形后于控冷状态下达到调质处理的力学性能、疲劳寿命水平，不经过调质处理便可直接在工程中使用，以替代部分中碳、中碳低合金调质钢零件。采用非调质钢生产的锻件省去了调质工序的再加热淬火和高温回火的全部能耗，每千克锻件可节电0.7kW·h左右，同时由于工序减少，锻件的生产制造周期也得以缩短，更重要的是非调质钢还具有优越的加工性能，可提高产品的制造效率，目前在欧美发达国家非调质钢已广泛推广应用。国内东风锻造最早与钢厂联合开发并使用非调质钢，目前其采用非调质钢生产的锻件占到全部锻件的45%，常用的非调质钢牌号有48MnV、30MnVS、38MnSiV5、49MnVS3、C38N2、C70MoD、S45CVS等。

减少料头、料尾的消耗

东风锻造在减少料头、料尾的消耗方面所采取的主要措施如下：料头方面，与装备水平和技术实力高的钢厂合作，获得高品质的原材料，原材料端面平整、无毛刺，下料时不需切头，减少了料头损失；料尾方面，通过倍尺供货来减少剩余料长，当同一规格的材料用于生产多个品种的产品时，采用套裁下料的方式来缩短料尾。长径比大的坯料(如曲轴等产品的坯料），倍尺采购与非倍尺采购的原材料消耗差异超过10%，而如果再加上节省的这部分料头、料尾的运输成本以及料头、料尾变成废料的价差，倍尺采购每年能让企业减少数百万元的损失。

减小飞边

热模锻造主要依靠飞边桥部形成阻力迫使金属充满型腔，多余金属流到仓部形成飞边，过多的金属不仅增加材料消耗和加热能耗，而且还会缩短模具的使用寿命。东风锻造一直致力于减小飞边的工艺改善，主要通过改变预成形模以及增加制坯模等技术方案合理预分配金属，促使金属更易充满终锻模型腔。如长杆类锻件主要应用引进的辊锻模设计软件提高辊锻模的设计精度，实现飞边尺寸的减小。同时开发并不断完善半闭式模锻成形技术，从最初应用于十字轴锻件的成形到变速箱的一轴、二轴等杆类锻件的成形，最终成功应用于曲轴等复杂锻件的成形(图1），减小了飞边，材料利用率提升了3%～5%。

图1 曲轴的半闭式模锻成形

闭式锻造

通过多项技术创新，东风锻造创造性地开发出了在热模锻压力机上的闭式锻造工艺，实现了回转体等盘类零件在热模锻压力机上的闭式锻造，并开始大批量生产PV齿轮锻件，近几年已成功推广应用到CV齿轮锻件(图2），锻件材料利用率提高了10%～15%，大幅降低了原材料的消耗以及相应的加热能耗，该创新成果获得了汽车行业科技进步奖。

图2 CV齿轮锻件的闭式锻造

减小锻件加工余量和工艺余块

采用上述的减少料头、料尾的消耗，减小飞边以及闭式锻造等多种方法可以使锻件的材料利用率提高到90%以上，但从产品的角度看，产品的材料利用率却仍只有55%～65%，大量的金属变成了铁屑，并增加了切削加工能耗和刀具消耗。如某品牌轿车变速箱轴、齿锻件的平均材料利用率为84%，而产品的平均材料利用率仅为52%，因此，减小锻件加工余量和工艺余块对热模锻造来说有着更大的节材、节能空间。

通过先进的模具制造技术、坯料少无氧化加热技术以及顶料机构的改进，东风锻造全力推进热精密锻造技术在企业中的应用。将锻件的加工余量从1.5mm减小到0.8mm，再到0.5mm，模锻斜度也从7°减小到3°，再到1.5°。部分锻件甚至取消了加工余量，将原来的加工面变成非加工面，如图3所示，曲轴的平衡块侧面由加工面改为非加工面，加工余量和模锻斜度的减小节省了大量的金属，产品的材料利用率提高了约13%。

以前对于如图4所示锻件上的20～30mm的深孔均做盲孔处理，留给机加工钻孔解决，而现在通过技术创新采用挤孔工艺替代冲孔工艺来实现此孔的成形，突破了热模锻造成形的孔径参数极限，在节省材料的同时也减去了钻孔工序的加工消耗。

图3 曲轴平衡块侧面的改进

减小加工余量和工艺余块不仅可以节省材料，而且可以提高机加工的效率、降低刀具的消耗，创造更多的价值。现在随着加工余量和工艺余块的减小，东风锻造正不断朝近净成形、少无切削方向发展。

不过在这里有一个问题需要注意，锻件随着精密程度的提高对磕碰的敏感度也大幅提高，任何磕碰都更容易使精密锻件无法达到加工余量的要求而报废，从而使所取得的节材、节能成果全部湮没。磕碰问题不能尽快解决，热精密锻造就将会停滞不前，现在全生产过程中的防磕碰工作已作为东风锻造的一项重要工作进行全员全力攻关。

图4 小孔锻件

利用锻后余热

锻造余热淬火是指钢坯在稳定的奥氏体区锻造成形后，当其温度高于Ar3时(对亚共析钢而言），利用锻件的余热在介质中淬火并在合适的温度下回火，以此代替调质处理，它是锻造和热处理相结合的一种综合工艺。锻造余热淬火较大地提高了材料的淬透性，有较好的回火稳定性，增加了热处理工艺的调整余地，是一种成熟的工艺，易于在大批量热模锻造生产过程中实现，省去了锻件重新加热淬火的工序，每千克锻件可节电0.4kW·h左右。与普通淬火后的锻件相比，锻造余热淬火后的锻件晶粒粗大，易于切削加工。对于晶粒度有要求的锻件，可先将其冷却到600℃左右再加热、均温后淬火，以此获得与正常调质处理后的锻件一致的晶粒度，而这种方式可以节省从室温到600℃的加热能耗。

东风锻造在广泛应用锻造余热淬火的同时，还推广应用锻造余热退火、锻造余热等温正火等，利用锻后余热进行热处理的比重已超过了10%。

稳定提高锻件质量

《缺陷汽车产品召回管理规定》实施以来，汽车锻件质量的可靠、稳定与提高的重要性愈加突显。一旦产品涉及大批量召回，这对大多数制造商来说都会是灭顶之灾。对于锻件生产企业来说，除了要避免出现过热、过烧、折纹、裂纹等关键缺陷外，对于原材料的质量把控也要非常重视，因为一旦原材料存在内在质量问题，将会导致整个炉号的锻件报废。

进口材料相对于国产材料来说，其质量的一致性好、可靠性高，因而会使后续工序(如最终热处理）的工艺稳定性也相对要好一些，这就减少了工艺调试费用以及材料检验费用等，产品的综合成本甚至比国产材料还要低一些。因而对于要求高的产品，为降低质量风险，最好还是选用进口材料，东风锻造所使用的原材料中进口材料目前已占到10%。好的质量就是最大的节材、节能，稳定提高锻件质量是热模锻造企业未来发展的重要根基。

应用数值模拟技术

数值模拟技术是目前国际上锻造企业中应用的先进技术，在模锻设计中已充当重要角色。作为先进制造技术的重要组成部分，它取代了传统的基于经验公式、数据的工艺和模具设计方法，提高了工艺和模具设计的技术水平。

数值模拟技术不仅可缩短新产品的开发周期，满足市场快速反应的实际需求，而且可提高产品质量，有效地改善金属材料的组织和力学性能，在节材、节能、延长模具使用寿命方面正发挥着越来越重要的作用。

东风锻造自引入Qform 2D、Deform 3D有限元数值模拟软件以来，应用模拟技术对锻造过程中金属的流动规律和变形模式进行了深入研究，在提高新产品开发时的一次试模成功率、缩短开发周期以及优化锻造工艺、改善产品质量、节材、节能、提高模具寿命和生产效率等方面解决了大量的实际工程问题，实现了小飞边锻造、闭式锻造，在减小加工余量的热精密锻造过程中数值模拟技术也正在发挥着重要的作用。如图5所示，东风锻造应用数值模拟技术实现了材料利用率提高10%、能耗降低10%、模具寿命提高20%以上的目标。

热模锻造的发展方向

我国模锻件的产量位居世界第一，这些模锻件大部分均采用热锻工艺生产，我国汽车模锻件的产量约占所有模锻件产量的67%，在汽车模锻件中热锻件仍占绝对比重。当前，热模锻造要想持续保持主导地位，就必须直面挑战，朝发挥自身优势的正确技术方向和路径发展。

图5 数值模拟技术的应用案例

面临的主要挑战

产能过剩、人力资源匮乏、人工成本上涨、环境污染严重以及汽车轻量化发展，是热模锻造发展必须面对的挑战和破解的命题。

热模锻造行业重复投资现象严重，特别是曲轴等大型模锻件的产能已严重过剩，加之以铸代锻等用其他制造方法和材料替代锻件等，使得热模锻造行业的竞争日趋激烈。人工成本逐年上涨，目前已超过动能成本占据总成本的第二位，而愿意从事锻造行业工作的人却日益缺少，有经验、技术熟练的技能人员更是严重匮乏，后继无人。从坯料到最终产品，有20%的材料变成了飞边、30%的材料变成了铁屑，再加上10%的料头、料尾的浪费以及1%左右的不良率，如此耗费大量资源的行业在未来将难以为继。经济性、环保性和安全性等要求汽车必须向轻量化方向发展，而这也对热模锻造技术提出了更高、更迫切的要求。

解决方案

产能过剩是全面性、长期性的，要靠市场机制化解，无论是来自内部还是外部的竞争，优胜劣汰，这必将加快热模锻造向热精密锻造方向发展的步伐。

人力资源匮乏方面，可以通过与教育机构合作，设立相应的学习、实习项目，多渠道向年轻人介绍锻造行业的职业机会，拓展人力资源，同时企业也要改善工作条件和环境，寻求更好的留住人才的方式，吸收有才、有志之士长期从事锻造行业。

应对逐年上涨的人工成本，自动化是最佳的解决方案。自动化减少了对人工的依赖，避免了过程中的人为因素，产品质量稳定、可靠，生产效率高。相较而言，多工位的热模锻压力机更易实现自动化，少品种、大批量生产多采用步进梁。随着范围经济时代的到来，多品种、小批量生产要求柔性化和更快速的品种切换，机器人是更好的选择，尤其是曲轴等大型锻件的热模锻造，多采用机器人操作。除采用机器人代替人工外，企业还可以结合现场实际开展各种减轻工人劳动强度、减少操作人员的改善和改造项目，如自动上料、锻模自动喷雾润滑等。

环境污染、资源短缺的解决方案就是要最大限度地降耗减排，精密锻造是节材、节能的有效途径。精密锻造由于很少甚至不需要切削加工，因此可大幅降低原材料的消耗。精密锻造节省原材料的空间很大，如某汽车差速器齿轮锻件的材料利用率为74%，而产品的材料利用率只有33%，大量的金属被切削加工掉，而采用精密锻造成形后产品的材料利用率提高到了67%，大幅降低了原材料的消耗。

精密锻造的汽车零件能够节省20%～30%的原材料，力学性能指标可提高15%～30%。目前，日本模锻件中精密模锻件的占比为36%，德国为37%，而我国精密模锻件在模锻件中仅占6%～8%，国内精密锻件市场的潜力很大，蕴藏着巨大的发展机遇。

目前主要的精密锻造工艺包括冷锻、温锻、热精锻及热锻＋冷精整等，其中冷、温锻技术是最先进的少无切削精密锻造成形技术。热精锻是在再结晶温度以上进行的塑性变形，坯料通常加热到1220～1250℃，其成形力很小，塑性变形后不存在加工硬化现象。采用热精锻技术，可突破冷、温锻件尺寸和重量的限制，将精密锻造的产品范围扩大到更多的锻件。

热锻＋冷精整工艺具有显著的优势，在实际生产中该工艺也正得到越来越多的应用，如变速箱内的结合齿和定滑轮，复杂成形部分采用热模锻造成形，齿形部分热精锻成形后再进行冷精整。上述的结合齿由齿环与齿轮组成，定滑轮由齿轮与轴组成，现组合在一起锻造成形。这样的组合成形由于零件间不再需要连接、紧固，因而可省去结合面的机加工和装配，部件的空间尺寸得到了缩小，整个部件的尺寸也可以设计得更小，从而可减轻部件的重量，更好地满足汽车轻量化的需求。

多零件组合后尺寸较大、形状也更为复杂，这会大幅度提高组合成形的技术难度，如变速箱内多个齿轮和轴的整体成形、转向系统中转向节和控制臂的一体化成形等，而这正是热模锻造发挥优势的发展方向，组合成形显著的节材及轻量化效果为热模锻造的发展开拓了一条重要的技术途径。

结束语

当前经济发展放缓、经济结构正在转型，这对于热模锻造企业来说是风险，但同时也是发展机遇，将节能降耗和减轻大气污染与提升企业核心竞争力紧密结合起来是热模锻造企业健康、低碳、可持续发展之道。

热模锻造企业惟有持续改进与创新，应用先进技术加快技术进步，在未来的设计和生产中采用清洁工艺、清洁技术、清洁材料进行清洁生产，充分发挥金属的热态塑性成形优势，高效、节能地获得产品的形状、性能，才能持续提供给汽车行业整体、优质、高性能金属部件的低成本、低碳的解决方案。未来热模锻造终将在要求更为苛刻、形状愈加复杂的汽车模锻件成形中发挥越来越重要的作用。