主轴锻造工艺改进

文/王旭颖，胡运宝，彭彩霞，李宏柏·太原重工股份有限公司

主轴类产品广泛应用于冶金、石化、化工、风洞试验、电站、制药等领域，市场需求量很大，材料主要为25CrNiMoV。我公司在生产制造过程中，还存在探伤报废和探伤临界评审的问题，满足不了用户需求。为了解决探伤缺陷超标和处于临界的问题，我公司对该类产品进行了锻造工艺改进。

技术要求

工艺流程

主轴产品锻件生产工艺流程见图1。

化学成分

钢锭冶炼时要求电炉冶炼+真空除气钢锭，具体化学成分见表1。

表1 钢锭冶炼的化学成分(质量分数，%)

超声波探伤要求

超声波检测方法按JB/T 1581-2014执行，轴承部位及传动端按表2验收，其余部位符合JB/T 1267-2014标准要求。

表2 轴承部位及传动端的验收标准

锻造要求

钢锭的上、下端应有足够的切除量，以保证锻件无缩孔和严重的偏析。应在压力足够的压机上锻造，使锻件整个截面充分地锻透。应尽可能保持锻件的轴线与钢锭的轴心线重合。将钢锭质量较好端作为锻件的传动端。

前期生产状况

探伤存在问题

2019年下半年我公司共生产20件主轴产品，其中2件产品探伤出现问题，探伤报告均显示在锻件传动端有缺陷，对应的钢锭部位为钢锭质量较好的底部端。出现探伤报废对公司造成的影响很被动。我公司对出现问题的两件进行了理化分析，电镜扫描结果均显示为Al2O3夹杂，为脱氧产物、底部端沉积锥和浇注过程中耐火材料冲刷综合导致。

原锻造工艺

第一火：钢锭压钳把→倒棱→压圆→切底；第二火：钢锭镦粗→压圆；第三火：钢锭→镦粗→压圆→号印→锻制要求尺寸。锻后热处理曲线如图2所示。

图2 锻后热处理曲线

数值模拟研究

运用锻造数值模拟软件Forge对转子镦粗、拔长过程反复计算，得到了最优锻造工艺参数。图3是镦粗过程模拟，镦粗过程中用球形顶镦帽对钢锭进行镦粗。镦粗变形率达到40%时，心部的等效应变已达到1.5，最小等效应变达到0.6，这就说明镦粗变形率达到40%时，锻件内部变形大，钢锭中的原始铸造组织得到一定程度的破坏，钢锭中的疏松组织得到压实，钢锭中的偏析得到一定程度改变。

图3 镦粗过程模拟

采用WHF法对锻件进行拔长过程的反复模拟研究，当拔长压下率在20%～25%时，发现在第三道次以后拔长过程中，用1300mm宽的上下平砧能使锻件在拔长过程中砧宽比W/H控制在0.85～1.06之间，拔长变形过程中不出现轴向拉应力。对于拔长过程中锻件截面变化，料宽比B/H控制在0.85～1.18之间，拔长变形过程中不出现横向拉应力。图4是拔长过程的模拟，图5是第三道次拔长过程中锻件心部应力应变随着压下量的变化曲线，从图5可以看出，锻件心部在X、Y、Z方向上的应力均为压应力，并且等效应变随着压下量的增大而增大。也就是说，锻件内部受三向压应力，没有拉应力，这就说明锻件在拔长过程中没有裂纹产生，在内部良好的应力状态下，锻件内部原始的缺陷，诸如锻件内部的A型偏析、V型偏析、疏松、气泡能在锻造过程中得到很大程度上消除。

图4 拔长过程模拟

图5 拔长过程应力应变曲线

锻造工艺改进

为解决主轴传动端探伤问题，我公司技术部门及生产部门深入讨论分析，钢液中Al2O3质点半径小，容易悬浮在钢液中不上浮，锻造上采取了以下措施：

⑴调整锻造工艺，第一火将钢锭底部端底锥切除，第二火镦粗压圆后，剁掉钢锭底部端的2.5%，再进行后续的锻造工序，如图6所示。

图6 主轴二次切底图片

⑵根据数值模拟结果，调整压下量，两次镦粗后采用WHF宽砧强压，每道次压下量由原来的15%调整为20%～25%，充分将夹杂物打散。

⑶调整加热工艺，两次镦粗大变形时将加热时间和加热温度调高(大变形加热温度由1200℃调高到1230℃)，进行高温扩散，使成分和组织尽可能均匀。成形阶段加热时间缩短，采用短、频、快加热方式。

⑷调整锻后热处理工艺，延长过冷时间。

⑸将切除部分的底部及冒口部分料头称重，确认是否符合锻造工艺要求。

统计结果

主轴锻造工艺改进后，自2020年1月初至2020年10月底，我公司共生产30件该类主轴产品，均未发现探伤超标缺陷，部分产品已全工序完成合格交货，得到了用户的好评。

结束语

我公司生产的25CrNiMoV材质的主轴类产品，通过二次切底调整大变形过程的压下量，提高大变形时的加热温度，增加高温扩散时间，延长锻后冷却的过冷时间方式得到了探伤合格的主轴产品，并已形成标准工艺。