CN102380565B - 一种大锻件的锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大锻件的锻造方法，包括如下步骤：1）将铸坯或连铸坯加热至锻造温度，保温；2）冷却，使铸坯的表面温度降至700-800℃，心部仍然保持高温，内外温差达到400-450℃时，对坯料进行总变形程度为6~20%的中心压实锻造，得到钢坯；3）冷却，当整个钢坯的温度为700℃~800℃时，以50~100℃/h的升温速度升温至锻造温度，保温、使钢坯表面区域温度达到锻造温度，而心部温度仍然保持在700-800℃，对钢坯进行总变形量为6~20%的锻造。该方法可以有效消除大锻件缺陷，提高大锻件的力学性能、表面和心部变形、组织和力学性能均匀性的大锻件的锻造方法。

Description

一种大锻件的锻造方法

技术领域

本发明属于材料加工工程技术领域，具体涉及一种大型锻件成形方法。

背景技术

钢铁、电力、石油化工、核动力、高能物理和风力发电等大型成套设备，工作载荷巨大，环境恶劣，为保证设备工作的可靠性和安全性、。以风电锻件为例，风电锻件往往是风力发电系统里的重要零件，我国的大多数风场在天寒地冻的北方，风速瞬息万变，锻件在这样恶劣条件工作不但要承受很大的交变载荷，还要承受巨大的冲击载荷，因而，对它的力学性能要求往往很高，由于交变载荷在零件截面的分布，零件的表面性能尤其重要，任何缺陷将会影响其力学性能，降低其疲劳寿命，严重影响整个风力发电系统的安全性和可靠性。目前，大锻件的力学性能要求必须满足Rm≥500MPa； RP0.2≥300MPa；晶粒度要求在3级或及3级以上。

大型锻件制造的工艺过程是：炼钢、铸锭、加热、锻造、预备热处理、最终热处理。铸锭过程中锭身内部形成的空洞、气泡、疏松、夹杂或偏析等冶金缺陷，都必须在锻造成形过程中得以修复或改善。现有修复缺陷的方法一是改变工具或者砧子的形状和尺寸，达到改善锻坯内部应力状态，增大变形量的目的，例如凸面砧墩粗；二是改变钢锭和锻坯的形状，达到改善锻坯内部应力状态，增大心部变形量的目的；三是改变钢锭和锻坯内部的温度场，变均匀温度场为满足特殊要求的不均匀温度场，达到改善锻坯内部应力状态的目的。

普通自由锻造法，只能保证钢锭A偏析区的疏松、气孔等缺陷锻合，而过渡偏析区和V偏析区的缺陷往往只能部分得到锻合。为了使日益增大的大型钢锭能够锻透，必须保证足够大的锻比和使用吨位足够大的压机，因而越来越困难。为此，日本工厂开始逐步创造和完善了一种降温锻造法。降温锻造法是作为一个工序在锻造的一定阶段进行的。加热到1250℃左右的坯料在锻造之前，在空气中冷却，对更大的钢锭则用鼓风等方法强制冷却，使表面温度降至700-800℃。这时，中心部仍然保持适于锻造的1050～1200℃的高温，内外温差达到300-350℃。由于坏料存在内外温差，也即内外变形抗力不同，表层的变形小，而心部则获得大于总锻比的最大变形量。这种方法的特点是充分利用坯料冷却时的内外温差效果，造成表层和心部变形抗力的差别，从而使锻压能量集中到容易变形的心部，增大心部的变形量，可以利用较小的锻比，而达到锻透的目的。实际上，这时坯料表层好象一层“硬壳”，而心部得到类似“模锻”的效果。生产实践表明，降温锻造确实大大地提高了锻件的质量，但是采用上述方法锻压时由于能量集中到容易变形的心部，心部的缺陷能够得到很好的消除，然而锻压时表面区域的温度远远低于心部的温度，表面区域不易变形，缺陷也不易消除。此外，在普通自由锻过程中，与砧子接触的表面区域是难变形区，难以获得大的变形量，其性能难以通过变形获得提高，而实际的工况条件往往对表面性能有较高的要求。因此，单一的降温锻造工艺难以获得力学性能高、表面和心部变形、组织和力学性能均匀性的大锻件。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供一种可以有效消除大锻件缺陷，提高大锻件的力学性能、表面和心部变形、组织和力学性能均匀性的大锻件的锻造方法。

本发明通过如下技术方案来实现：

一种大锻件的锻造方法，包括如下步骤：

1）将铸坯或连铸坯加热至锻造温度，保温；

2）冷却，使铸坯的表面温度降至700-800℃，心部仍然保持高温，内外温差达到400-450℃时，对坯料进行总变形程度为6~20%的中心压实锻造，得到钢坯；

3）冷却，当整个钢坯的温度为700℃~800℃时，以50~100℃/h的升温速度升温至锻造温度，保温、使钢坯表面区域温度达到锻造温度，而心部温度仍然保持在700-800℃，对钢坯进行总变形量为6~20%的锻造。

作为改进，完成步骤2）后先升温至锻造温度、保温后锻压成型，随后进行步骤3）的锻造。

作为改进，完成步骤3）后升温至锻造温度，保温后锻压成型。

作为改进，步骤1）的升温速度≤100℃／h。

作为改进，步骤3）可放在步骤1）和步骤2）之前。

本发明采用锻件的心部与表面分区锻造的方法，该方法具有以下优点：

一、可以有效提高锻件表面区域的性能，使锻件在使用条件下满足表面高工作应力的要求；

二、有效改善了普通锻造条件下锻坯的变形不均匀性，使接近砧子表面区域的难变形区变形增大并均匀化，且这种改善并不需要改变工具或者砧子的形状和尺寸，即可达到改善锻坯内部应力状态的目的；

三、有效改善大锻件整体性能，使整个锻件的缺陷得到有效锻合；

四、由于大型锻件的生产往往都是单件或小批量生产，设备利用率低，虽然增大设备吨位是保证获得良好性能大锻件的最有效手段，但在经济上是不合适的，根据本发明开发的锻造工艺，可以实现“小吨位高质量大件”，具有良好的经济性。

具体实施方式

以下结合实施例进一步说明本发明。

众所周知，晶粒度的大小与性能密切相关，一般来说，晶粒度小，强度、韧性都比较好，晶粒大，强度、韧性性能较差，通过细化晶粒提高性能称为细晶强化，该方法是四种强化机制中唯一有利于提高韧性的强化手段。

本发明中所述的“保温”应保温一定的时间，保温时间根据钢坯的材质和截面当量尺寸来确定，比如10吨的碳素钢钢坯在锻造温度下保温5小时15吨的的碳素钢就要保温6小时；又如10吨的碳素钢钢坯在锻造温度下保温5小时，10吨的结构钢话就要保温6小时；因为这些是本领域的常识，所以本发明不作详细描述。

以下所称“保留约x%的变形余量”是指再经过总变形量为x%的锻造后即可得到规定尺寸的锻件。

实施例1

用20CrMnMo连铸坯制造风电锻件，选用牌号为20CrMnMo的连铸坯，该连铸坯为圆柱形连铸坯，直径Φ≥600mm，其锻造工艺如下：

(1)将20CrMnMo连铸坯装入天然气加热炉中进行加热，加热至1250℃，并在1250℃温度范围内保温6小时，升温速度≤100℃／h；

(2)采用风冷，使连铸坯表面温度降至700-800℃，心部仍然保持高温，内外温差达到400-450℃时；在液压机上对加热后的连铸坯进行总变形程度为15％的中心压实锻造，得到钢坯；

(3)将钢坯装炉再次加热，加热至1250℃，并在1250℃温度范围内保温4小时，将钢坯在液压机上锻压成型，保留约10%的变形余量；

(4)待整个钢坯冷却至700℃~800℃时，装炉再次加热，以50~100℃/h的升温速度升温至1250℃，并在1250℃温度范围内保温不超过1小时，此时钢坯表面区域温度达到锻造温度，而心部温度仍然保持在700-800℃，在液压机上对加热后的钢坯进行总变形量约为10%的锻造，得到规定尺寸的锻件。

经过上述锻造工艺得到的锻件，经超声波探伤检测，材料的内部缺陷得到了有效消除，完全能够达到相关的超声波探伤要求及晶粒度要求。与常规锻造工艺相比，合格率从70%提高至95%，晶粒度达到3级及3级以上，抗拉强度达到600MPa，屈服强度达到450Mpa，力学性能则完全满足要求。

实施例2

制备一种大型风电轴类锻件，材质为20CrMnMo钢，标准十吨八角钢锭开坯，经超声波探伤检测，材料内部存在最大直径约为2mm的孔洞缺陷。其锻造工艺流程如下：

(1)将20CrMnMo钢铸坯装入天然气加热炉中进行加热，加热至1250℃，并在1250℃温度范围内保温10小时，其中升温速度≤100℃／h；

(2)采用风冷，使铸坯表面温度降至700-800℃，心部仍然保持高温，内外温差达到400-450℃时；在液压机上对加热后的铸坯进行总变形量为20％的中心压实锻造，得到钢坯；

(3)待上述锻造后的整个钢坯冷却至700℃~800℃，装炉再次加热，以50~100℃/h的升温速度升温至1250℃，并在1250℃温度范围内保温不超过2小时，此时钢坯表面区域温度达到锻造温度，而心部温度仍然保持在700-800℃，在液压机上对加热后的钢坯进行总变形量约为10%的锻造；

(4)锻后装炉再次加热，升温至1100℃，并在1100℃温度范围内保温5小时，锻压成所需尺寸的锻件。

经过上述锻造工艺得到的锻件，经超声波探伤检测，材料的内部缺陷得到了有效消除，完全能够达到相关的超声波探伤要求及晶粒度要求。与常规锻造工艺相比，探伤合格率从75%提高至93%，晶粒度达到3级及3级以上，抗拉强度达到550MPa，屈服强度达到430Mpa，锻件经过热处理后力学性能完全满足要求。

实施例3

一种大型轴类锻件，材质为34CrNiMoA合金钢，标准十吨八角钢锭开坯，经超声波探伤检测，材料内部存在最大直径约为2mm的孔洞缺陷。其锻造工艺流程如下：

(1)将34CrNiMoA合金钢铸坯装入天然气加热炉中进行加热，加热至1250℃，并在1250℃温度范围内保温10小时，其中升温速度≤100℃／h；

(2)采用风冷，使铸坯表面温度降至700-800℃，心部仍然保持高温，内外温差达到400-450℃时；在液压机上对加热后的铸坯进行总变形量为10％的中心压实锻造；

(3)装炉再次加热，升温至1250℃，并在1250℃温度范围内保温6小时；在液压机上通过倒棱滚圆、拔长等工序锻压成型，保留约10%的变形余量；

(4)待上述锻造后的整个钢坯冷却至700℃~800℃后，装炉再次加热，以50~100℃/h的升温速度升温至1250℃，并在1250℃温度范围内保温不超过2小时，此时钢坯表面区域温度达到锻造温度，而心部温度仍然保持在700-800℃，在液压机上对加热后的钢坯进行总变形量约为10%的锻造，得到所需尺寸的锻件。

经过上述锻造工艺得到的锻件，经超声波探伤检测，材料的内部缺陷得到了有效消除，完全能够达到相关的超声波探伤要求及晶粒度要求；与常规锻造工艺相比，合格率从60%提高至94%，晶粒度达到4级及4级以上，最终材料抗拉强度达到500MPa，屈服强度达到300MPa，力学性能完全满足要求。

实施例4

制备一种大型轴类锻件，材质为34CrNiMoA合金钢，标准十吨八角钢锭开坯，经超声波探伤检测，材料内部存在最大直径大于2mm的孔洞缺陷。其锻造工艺流程如下：

(1)将34CrNiMoA合金钢铸坯装入天然气加热炉中进行加热，加热至800℃，于 800℃保温10小时，随后以50~100℃/h的升温速度升温至1250℃，保温2小时，升温速度≤100℃／h；此时钢坯表面区域温度达到锻造温度，而心部温度仍然保持在约700-800℃，采用倒棱滚圆在液压机上对加热后的钢坯进行总变形量约为10％锻造， 

(2)装炉加热，加热至1250℃，并在1250℃温度范围内保温6小时；

(3)采用风冷，使表面温度降至700-800℃，心部仍然保持高温，内外温差达到400-450℃时；在液压机上对加热后的连铸坯进行总变形量为6%的中心压实锻造，得到钢坯；

(4) 装炉加热，升温至锻造温度1100℃，并在1100℃温度范围内保温8小时后，在液压机上锻压成满足成品尺寸的锻件。

经过上述锻造工艺得到的锻件，经超声波探伤检测，材料的内部缺陷得到了有效消除，完全能够达到相关的超声波探伤要求，与常规锻造工艺相比，合格率从60%提高至95%，晶粒度达到3级及3级以上，最终材料抗拉强度达到500MPa，屈服强度达到300MPa，力学性能完全满足要求。

Claims (4)

1.一种大锻件的锻造方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将铸坯或连铸坯加热至锻造温度，保温；

2)冷却，使铸坯的表面温度降至700-800℃，心部仍然保持高温，内外温差达到400-450℃时，对坯料进行总变形量为6～20％的中心压实锻造，得到钢坯；

3)冷却，当整个钢坯的温度为700℃～800℃时，以50～100℃/h的升温速度升温至锻造温度，保温、使钢坯表面区域温度达到锻造温度，而心部温度仍然保持在700-800℃，对钢坯进行总变形量为6～20％的锻造。

2.根据权利要求1所述的大锻件的锻造方法，其特征在于完成步骤2)后先升温至锻造温度、保温后锻压成型，随后进行步骤3)的锻造。

3.根据权利要求1所述的大锻件的锻造方法，其特征在于完成步骤3)后升温至锻造温度，保温后锻压成型。

4.根据权利要求1所述的大锻件的锻造方法，其特征在于所述步骤1)的升温速度≤100℃/h。