UOE焊管预弯边模具用新材料开发与模具制造

2015-03-09李新文周贵德李建新苏其双

钢管 2015年3期

李新文，周贵德，李建新，苏其双

（1.宝山钢铁股份有限公司，上海 201900；2.山东省四方技术开发有限公司，山东济南 250101）

预弯边是UOE焊管生产线的主要工序之一，其目的是完成钢板两边的预弯曲变形，使钢板两边的弯曲半径达到或接近成品管半径，从而保证直缝埋弧焊钢管焊缝区域的几何形状和尺寸精度。

现在的预弯边工序一般采用模压式预弯边工艺，采用该工艺可得到十分理想的板边形状，有效地防止焊缝“噘嘴”和扩径开裂［1-2］。模压式预弯边机采用具有一定曲线和长度的上、下压模。成型时，上压模固定，下压模由液压缸驱动将钢板边部向上压制，使钢板边部按照设定的曲率发生弯曲变形。根据模具长度的不同，经过多次压制完成一张钢板的弯边操作。

1 宝钢股份预弯边机及其模具特点

宝山钢铁股份有限公司（简称宝钢股份）Φ1 422 mm UOE机组的预弯边机由两个相对布置的机架组成，机架可以根据钢板的不同宽度相对移动，机架中安装有预弯边上、下压模，单侧下压模或上压模由前后2块模具拼接而成。宝钢股份Φ1 422 mm UOE机组的预弯边机有以下特点［3］：

（1）压力大。该预弯边机压力达到40 MN，可保证产品的高钢级和大壁厚生产要求，同时可实现大步幅操作。据有限元分析计算，板厚为31.8 mm的X100钢级管线钢的极限弯边力达到38MN。

（2）每步的步幅大。该预弯边机模具的总长为5 700 mm、有效长度约4 900 mm，对于18 m的钢管只需4步即可完成全长弯边操作。弯边步数的减少意味着生产效率的提高，同时减少成型过渡带的数量，有利于产品质量的提高。

（3）模具规格少。该预弯边机只需配5套上下模具，即可覆盖Φ508～1 422mm规格产品的预弯边。Φ1 422mm UOE焊管预弯边模具的结构和受力情况如图1～2所示。

图1 Φ1 422mm UOE焊管预弯边模具的结构示意

图2 Φ1 422mm UOE焊管预弯边模具的受力情况

为匹配宝钢股份的40 MN级预弯边机，需从德国引进锻造合金模具钢上、下压模，该模具钢的化学成分见表1。经现场检测，该模具的表面硬度为 50～60 HRC。

表1 德国锻造合金模具钢的主要化学成分（质量分数） %

上压模与下压模安装在模座内，两者配合严密，工作时的压应力完全作用于模座。从模具的受力和服役状况来看，Φ1 422 mm UOE机组预弯边模具的失效形式为磨损。预弯边模具在使用过程中主要承受压应力下的滑动摩擦，其主要的力学性能指标是冲击韧性和耐磨性能。

德国锻造合金模具钢的化学成分类似于中国的Cr12Mo1V1、美国的D2钢、日本的SKD11钢，是国际上广泛应用的高碳高铬型冷作模具钢，属莱氏体钢，具有较高的淬透性和耐磨性，截面尺寸在300～400mm可淬透，但韧性较差（由于含有大量的共晶碳化物），广泛用于生产要求耐磨性很高但冲击载荷较小的冷作模具［4］，可制造各种高精度、长寿命的冷作模具、刃具和量具。

该模具钢的冶炼纯净度要求高，采用电炉和真空精炼，大型模具的锻坯一般釆用电渣重熔制得。该钢可锻温度区间较窄（起锻温度为1 000℃，终锻温度为850℃），热处理难度大、要求高。Φ1 422 mm UOE机组预弯边机的上、下压模均属细长件，需经多次反复加热、锻造才可完成；同时，由于批量小很难形成模锻。细长锻件一般只拔长而很难镦粗，造成工件各向异性显著，力学性能可相差一倍多。采用与德国锻造合金模具钢相同化学成分的Cr12Mo1V1钢，锻造HFW焊管工艺用轧辊实物，沿锻造方向（轴向）和垂直于锻造方向（径向）分别取样检测，检测结果见表2［5］。而且相对于HFW焊管工艺用轧辊，Φ1 422 mm UOE机组预弯边模具的体积大、形状不规则，采用锻造模具钢制造工艺复杂、能耗高、材料利用率低、成本高。

文献［6］分析了4种轧辊材料（国产Cr12MoV、9Cr2Mo、GCr15，德国X165CrMoV12）的组织及其耐磨性，分析认为高硬度（≥60 HRC）材料的冲击性能都较低。

宝钢股份Φ1 422mm UOE机组预弯边模具的服役时间长、磨损严重、无备件，迫切需要采购新模具；但该模具均为德国制造，其制造周期长、费用高，采购流程繁琐。因此，需进行预弯边模具的国产化研制。

表2 HFW焊管工艺用Cr12Mo1V1锻造轧辊在不同方向上的力学性能

2 预弯边模具国产化研制

目前，国内对预弯边工序的研究主要集中在不同预弯边模具条件下的预弯边宽度设定，而对模具选材及制造工艺的研究较少［7-10］。鉴于上述情况，宝钢股份与山东省四方技术开发有限公司（简称山东四方）分析了Φ1 422 mm UOE预弯边机上、下压模的服役条件，汲取了高铬合金轧辊成功替代D2、X165CrMoV12、SKD11 锻造轧辊的经验［11-12］，最终制定出新型多元合金化高铬合金的“以铸代锻”铸造工艺方案。此外，采用三坐标测量仪测量德国锻造合金模具的几何尺寸，并在核对与设备本体的装配匹配性后，确定国产预弯边模具的制造图。

2.1 新型高铬合金模具钢的化学成分

高铬合金是一种成分范围很宽的优良耐磨材料，不同的化学成分和热处理工艺使得其组织、硬度、韧性差异很大。

合理地提高合金含量和多元合金化处理是提高材料性能的有效手段，但合金含量的提高给锻造模具（尤其是大型工模具）的生产带来更大难度。目前，世界各国已开始转向铸造研发轧辊，而新型铸造工艺和先进装备的相继成功开发，使得高合金、高性能铸造轧辊的生产得以实现［13］。

C和Cr是高铬合金最基本、最重要的合金元素；其含量的多少决定了碳化物的数量、M7C3型碳化物与总碳化物的相对数量，材料的硬度、韧性及淬透性等。铬碳比大于5时可获得大部分的M7C3型碳化物，而M7C3型碳化物有很高的显微硬度。提高铬碳比可以提高淬透性，一般认为铬碳比为8～10时可获得良好的综合性能。

Mo在高铬合金各相中的分配为：约50%进入Mo2C；约25%进入M7C3型碳化物；约23%溶入基体，明显地提高合金的淬透性，Mo含量超过2%时作用更明显。

V与C结合既能生成初生碳化物又可生成二次碳化物，使基体中固溶碳含量下降，提高马氏体转变起始温度。一定含量的V在凝固时可细化组织，消除粗大的柱状晶组织。

W与C的结合力大，可提高马氏体的高温稳定性，从而提高材料的红硬性。高温淬火时，部分钨碳化物会溶入基体，提高材料的淬透性。

Ni可强化基体，改善材料的综合性能，提高淬透性。

Ti能形成稳定的TiC晶核，细化共晶组织。

添加Nb可在基体中析出高硬度（2 000 HV）、高熔点、形状规则、粒度小、均匀弥散分布的硬质相——Nb（CN）质点，可有效控制合金的凝固偏析，提高其综合性能，并起到节约Ni或Cr的作用。

Si是熔炼过程中不可缺少的脱氧元素，但也是降低淬透性的元素。在生产时，需控制Si含量，以免在淬火时出现珠光体。

Mn既进入碳化物又溶解于基体，与Mo一起加入时对提高淬透性非常有效。但由于Mn剧烈地降低马氏体转变起始温度，使淬火组织中有较多的残余奥氏体，故其含量应控制在1%以下。

w（P）设定为≤0.03%，w（S）设定为≤0.025%。

依据预弯边机上、下压模的服役条件，综合考虑各种合金元素的作用，设计出新型高铬合金模具钢的化学成分，主要合金含量约为Cr12Mo1V1钢的1.3倍。而由此造成的原料成本上调将从简化工艺和毛坯近终成型提高材料利用率中得到补偿。

2.2 铸造成型工艺的研发

根据预弯边机上、下压模的形状和新型高铬合金模具钢的铸造性能，设计铸造成型工艺和装备。

采用电炉冶炼和炉外精炼，以保证钢水的纯净度；采用双浇口多浇道浇铸系统，以保证钢水均匀快速充型；为更好地保证钢水纯净度和含氧量，在近内浇口处采用了佛山市陶瓷研究所有限公司生产的高性能泡沫陶瓷过滤器。该过滤器采用耐高温碳化硅材质，对钢水的内杂质和气体都有较好吸附作用，也可最大程度地降低过快的浇注速度带来的钢水紊流和冲击，有效地减少偏析。通过电磁干扰和振动，使最初形成的枝晶破碎，并分布于整个合金液中，因而创造了有效的形核核心，使铸件产生细小、均匀的等轴晶粒。此外，还使用了分部位控温装置，实现了顺序凝固，加快了凝固速度，细化组织，同时可以有效地避免缩松等铸造缺陷的产生，从而获得高质量的模具铸坯。

采用超声波探伤技术检测用上述工艺生产的模具铸坯质量，结果表明：①铸坯穿透性好，杂波少，可探性较好，组织均匀、致密；②模具铸坯工作表面至深度100 mm区域达到BS EN 12680-2：2003标准［14］1级要求，内部区域不低于2级要求。

2.3 新型高铬合金模具钢的力学性能

新型高铬合金模具钢退火软化到1 060℃保温6 h，缓冷至750℃保温4 h，缓冷至600℃以下空冷；1 050℃淬火并保温4 h，350～380℃盐冷1 h后空冷，随后再经过2次200℃回火。

对相同材质、相同热处理大截面试件进行解剖，结果显示该新型高铬合金模具钢可完全淬透，淬后硬度为55～65 HRC，具有良好的淬透性和淬硬性。新型高铬合金模具钢与德国锻造合金模具钢的力学性能对比见表3。

表3 新型高铬合金模具钢与德国锻造合金模具钢的力学性能对比

2.4 新型高铬合金模具钢的金相组织

德国锻造合金模具钢的碳化物主要是M7C3型，含量在15%左右；其基体组织为马氏体，金相组织如图3所示。

图3 德国锻造合金模具钢的金相组织

新型高铬合金模具钢的碳化物主要是M7C3型，呈不连续的条状、块状、颗粒状和菊花状，其含量在20%左右，碳化物硬度可达1 800 HV。根据不同类型材料的服役条件，模具的基体组织有奥氏体、贝氏体、马氏体等，宏观硬度可达55～65 HRC。新型高铬合金模具钢的基体组织为马氏体，金相组织如图4所示。

图4 新型高铬合金模具钢的金相组织

2.5 新型高铬合金预弯边模具的耐磨性能

采用MM-200环块式摩擦磨损试验机，分析新型高铬合金预弯边模具的耐磨性能。摩擦块材料为德国锻造合金模具钢A、美国D2钢B、日本SKD11钢C、新型高铬合金模具钢D（铬碳比为10）、新型高铬合金模具钢E（铬碳比为8），每种材料3件；摩擦环材料为YG8钢。在摩擦磨损试验过程中通过自制系统加水冷却，试验主要参数见表4，摩擦磨损试验结果如图5所示。

试验结果表明：新型高铬合金预弯边模具的耐磨性能约等同于德国锻造合金模具的。