CN104624900B - 一种高效愈合薄板类锻件内部缺陷的锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于锻造领域，具体地说就是一种高效愈合薄板类锻件内部缺陷的锻造方法，适用于将各种尺寸的钢锭锻造为管板和模块等薄板类锻件的自由锻过程。该方法包括如下步骤：1)在倒棱、切除冒口等工艺结束后，对钢锭进行一次镦粗拔长；2)使用上下平板对坯料进行镦粗，使用旋转压平或拔长工艺将坯料变形至接近最终尺寸；3)将坯料回炉重新加热并保温；4)使用上下平板沿坯料厚度方向压下，并保持压力持续作用于坯料。5)将坯料锻造至最终尺寸。本发明适用于将各种尺寸钢锭锻造为管板和模块等薄板类锻件的自由锻过程，能够保证钢锭内部孔洞型缺陷的愈合，大大减少锻件因内部缩孔、疏松未锻合而报废的可能。

Description

一种高效愈合薄板类锻件内部缺陷的锻造方法

技术领域

本发明属于锻造领域，具体地说就是一种高效愈合薄板类锻件内部缺陷的锻造方法，它适用于将各种尺寸的钢锭锻造为管板和模块等薄板类锻件的自由锻过程。使用本发明提出的锻造方法锻造薄板类锻件，可以保证钢锭内部孔洞型缺陷的愈合，大大减少锻件因内部缩孔、疏松未锻合而报废的可能。

背景技术

锻造是大部分金属材料加工过程中的重要工序，通过锻造可以改善锻件内部质量，即破碎铸态组织、细化晶粒、均匀组织，并可锻合金属在冶炼过程中产生的缩孔、气孔和疏松等缺陷，对提高锻件质量有着重要的意义。

钢锭在浇注以及随后的凝固过程中会产生缩孔、疏松、气孔等孔洞型缺陷。在金属液浇注到钢锭模以后，与钢锭模接触的金属液将首先凝固，而心部的金属由于热传导慢将最后凝固。钢锭心部区域将逐渐形成糊状区，而此时钢锭冒口顶部表面已经凝固，导致无法对心部进行补缩，最终在钢锭心部区域形成缩孔、疏松等缺陷，这些缺陷由于尺寸较大，必须使用有效的锻造工艺将其锻合，否则将造成整件报废的严重后果，导致重大的经济损失。

生产中的经验显示，管板类锻件的合格率远低于其它类型的锻件，大量管板类锻件的报废造成了企业巨大的经济损失。然而，管板类锻件的锻比很大，按照传统工艺的角度考虑，在大锻比下不应存在如此严重的缺陷，这一现象无法用传统理论解释。为了解决这一问题，对轴类和管板类锻件在锻后冷却过程中的应力场进行了模拟。模拟结果显示，对普通的轴类锻件，锻件中心的缺陷集中区域在冷却初期会存在较大的压应力，而冷却初期锻件中心的温度较高，高温高压条件能够保证已闭合的缺陷顺利焊合，从而完成缺陷愈合过程，使锻件通过探伤检测。而对管板类锻件，其特殊的外形决定了锻件在冷却过程中应力分布为环状拉-压应力带交替出现，且越靠近中心应力越小。管板锻件中心区域在冷却过程中存在拉应力或很小的压应力，无法满足闭合缺陷的焊合条件。因此，管板锻件的中心区域容易残留密集型缺陷，探伤合格率较低。通过这一研究，证实了管板类锻件锻后冷却过程中特殊的应力状态是其内部缺陷无法愈合的原因。为了解决这一问题，必须改进锻造工艺，使锻件内的缺陷在锻造过程中即完全愈合，而不依靠冷却过程，才能够保证锻件通过探伤检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效愈合薄板类锻件内部缺陷的锻造方法，以解决管板和模块等薄板类锻件内部孔洞型缺陷无法愈合，导致无法通过探伤检测的问题。本发明提出的锻造方法，适用于将各种尺寸钢锭锻造为管板和模块等薄板类锻件的自由锻过程，能够保证薄板类锻件内部孔洞型缺陷的愈合效果，大大减少锻件因内部缩孔、疏松未锻合而无法通过探伤检验导致报废的可能。

本发明的技术方案是：

本发明提出了一种高效愈合薄板类锻件内部缺陷的锻造方法，包括如下步骤：

1)在倒棱、切除冒口等工艺结束后，对钢锭进行一次镦粗拔长；

2)使用上下平板对坯料进行镦粗，使用旋转压平或拔长工艺将坯料变形至接近最终尺寸；

3)将坯料回炉重新加热并保温；

4)使用上下平板沿坯料厚度方向压下，并保持压力持续作用于坯料；

5)将坯料锻造至最终尺寸。

所述步骤1)中，先镦粗，再拔长后坯料的高径比为2。

所述步骤1)中，在锻件产品质量要求不高的情况下，可以不对坯料进行此步骤的镦粗拔长。

所述步骤2)中，当最终锻件为管板类锻件(即饼状锻件)或横截面接近正方形的模块类锻件(即锻件为方形，方形两长边尺寸较接近，大于另一短边尺寸，此短边尺寸称为坯料厚度，垂直于短边的面称为坯料横截面)时，沿坯料轴线方向进行镦粗，直至压机压力极限，无法使坯料继续变形为止。

所述步骤2)中，当最终锻件为横截面为长方形的模块类锻件(即方形锻件，方形两长边尺寸相差较大，大于另一短边尺寸)时，沿坯料直径方向进行镦粗，直至压机压力极限，无法使坯料继续变形为止。

所述步骤2)中，镦粗结束后，对管板类锻件，应通过滚圆修整外形，之后重复旋转压平、滚圆的过程，使坯料厚度不断减小，直至坯料厚度为锻件最终厚度的1.1倍，坯料直径为锻件最终直径的0.9～1.1倍时为止。

所述步骤2)中，镦粗结束后，对模块类锻件，应通过拔长修整外形，使坯料厚度不断减小，接近锻件最终尺寸，直至坯料厚度为锻件最终厚度的1.1倍，坯料两长边尺寸为最终锻件对应边长的0.9～1.1倍时为止。

所述步骤2)中，在旋转压平、滚圆或拔长过程中，坯料温度过低时应将坯料返回加热炉内重新加热至锻造温度。

所述步骤3)中，保温时间在3小时以上，以减小后续锻造过程中的变形抗力，并使已闭合的孔洞型缺陷有更充分的时间愈合。

所述步骤4)中，应使用压机的极限压力下压，并保持压力2分钟以上。

所述步骤4)中，在坯料横截面面积较大，上下平板无法完全覆盖的情况下，可以分多次下压，每次保持压力2分钟以上。

本发明的优点及有益效果是：

本发明通过对管板类锻件在锻后冷却过程中的应力场变化情况进行研究发现，锻件在冷却过程中的应力分布无法满足闭合缺陷的焊合条件，导致管板锻件的中心区域容易残留密集型缺陷，探伤合格率较低。基于此发现提出了一种高效愈合薄板类锻件内部缺陷的锻造方法，此方法与常规锻造方法相比，能够保证在锻造过程中缺陷即已经完全愈合，大大减少锻件因内部缩孔、疏松未锻合而无法通过探伤检测导致报废的可能。

附图说明

图1-图7为锻造流程示意图，其中：

图1为钢锭形态示意图。

图2为轴线方向镦粗过程示意图。

图3为拔长过程示意图。

图4a和图4b为横截面为长方形的模块类锻件沿直径方向镦粗过程示意图。其中，图4a为主视图，图4b为右视图。

图5a和图5b为管板类锻件旋转压平过程示意图。其中，图5a为主视图，图5b为俯视图。

图6为管板类锻件滚圆过程示意图。

图7为管板类锻件保持压力过程示意图。

图中，1－钢锭；2－坯料；3－上平板；4－下平板；5－上平砧；6－下平砧。

具体实施方式

下面结合附图及实施例详述本发明。

如图1-图7所示，本发明提出了一种高效愈合薄板类锻件内部缺陷的锻造方法，在系统研究了锻件在锻后冷却过程中的应力场变化情况后，提出了包括镦粗、旋转压平、保持压力等步骤的锻造方法，具体如下：

1)如图1-图2所示，在倒棱、切除冒口等工艺结束后，对钢锭1进行镦粗。镦粗过程中将钢锭1轴线方向竖直放置在下平板4上，使用上平板3将钢锭1镦粗至高径比为0.5～0.7。如图3所示，镦粗结束后将坯料2旋转，使其轴线沿水平方向，使用WHF法对坯料2进行拔长。将坯料2的一端放置在下平砧6上，使用上平砧5在对应位置压下，压下量为20％～25％。即上平砧5的压下距离为坯料2原始高度(或直径)的20％～25％，压下量计算公式为：

压下量＝ΔH/H

其中，ΔH为锻造过程中上平砧5压下的距离(在下平砧6不发生位移的情况下)，H为坯料2原始高度，如果坯料为圆柱体且压下方向沿直径方向，则取直径尺寸。

之后，将上平砧5抬起，将坯料2向图3中左方移动，移动距离为一个上平砧5宽度的0.8～0.9倍，再次将上平砧5下压，压下量为20％～25％。重复此过程直到压至坯料末端，此过程称为一个道次。在第一个道次完成后将坯料翻转90°进行第二个道次的拔长。反复进行拔长直至坯料2的高径比为2。

在锻件质量要求不高的情况下，可以省略此步骤，不对坯料进行此步骤中的镦粗拔长。

2)使用上平板3和下平板4对坯料2进行镦粗，直至压机压力极限，无法使坯料继续变形为止。当最终锻件为管板类锻件(即饼状锻件)或横截面接近正方形的模块类锻件(即锻件为方形，方形两长边尺寸的比例为1:1～1:1.1，大于另一短边尺寸，此短边尺寸称为坯料厚度，垂直于短边的面称为坯料横截面)时，如图2所示，沿坯料轴线方向进行镦粗；当最终锻件为横截面为长方形模块类锻件(即方形锻件，方形两长边尺寸相差较大，大于1:1.1，且大于另一短边尺寸)时，如图4a-图4b所示，沿坯料直径方向(即坯料轴线沿水平方向)进行镦粗。

镦粗结束后，对管板类锻件，应对坯料2进行旋转压平。如图5a-图5b所示，使用上平砧5和下平砧6从坯料2边缘开始压下，压下量小于20％(一般压下量为5％～20％)。压下一次后，将坯料旋转60°～90°，进行下一次压下。旋转一周后，坯料2的边缘一圈已完成变形，将坯料2向图5b中的下方移动，继续对坯料2内部进行变形。反复重复此过程直至坯料2的整个横截面均完成变形。之后如图6所示，对坯料2进行滚圆修整外形，即将坯料竖立，用上平砧5和下平砧6进行小压下量变形(一般压下量为1％～5％)，同时不断旋转坯料2，将坯料2边缘修整为圆形。反复重复旋转压平、滚圆的过程，使坯料2厚度不断减小，直至坯料2的厚度为最终锻件厚度的1.1倍，坯料直径为锻件最终直径的0.9～1.1倍时为止。在此过程中，坯料温度过低时应将坯料返回加热炉内重新加热至锻造温度。

镦粗结束后，对模块类锻件，如图3所示，应通过拔长修整外形，拔长过程中压下量为20％～25％。使坯料2厚度不断减小，直至坯料2的厚度(即最短边尺寸)为最终锻件厚度的1.1倍，坯料另两个方向的边长(即两长边尺寸)为锻件最终直径的0.9～1.1倍时为止。在此过程中，坯料温度过低时应将坯料返回加热炉内重新加热至锻造温度。

3)将坯料2回炉加热并保温，保温时间在3小时以上(一般小于10小时)，以减小后续拔长过程的变形抗力，并使已闭合的孔洞型缺陷有更充分的时间愈合。

4)如图7所示，使用上平板3和下平板4对坯料2沿厚度方向压下，使用压机的极限压力压下，并保持压力持续作用2分钟以上(一般为2～10分钟)。当坯料2的横截面面积较大，上下平板无法完全覆盖的情况下，可以分多次压下，每次保持压力2分钟以上(一般为2～10分钟)，直至坯料2的横截面被完全覆盖为止。

5)使用旋转压平、滚圆或拔长等方法将坯料锻造至最终尺寸。

实施例

本实施例使用钢锭2支，每支重约18吨，最终锻件为管板，管板厚度为270mm，直径为3500mm，坯料锻前加热温度为1200℃，使用6000吨压机进行锻造。按照本发明提出的锻造方法，使用600mm宽的上下平砧及2m×4m的上下平板进行锻造。首先进行一次镦粗拔长，之后将坯料回炉保温。取出坯料后进行镦粗，镦粗至坯料厚度约1m，之后反复进行旋转压平和滚圆，期间回炉保温一次。将坯料厚度压至300mm后，回炉保温3小时。取出坯料后使用上下平板进行保压，分两次进行保压以覆盖坯料整个横截面，每次保压时间2分钟。之后将坯料锻造至最终尺寸。在锻造完成后，按照较为严格的GB/T 6402-1991二级标准探伤。探伤结果显示，采用本发明提出的锻造方法锻造的管板类锻件全部合格。

对比例

本对比例与实施例使用同一批次的2支钢锭。在一次镦粗拔长、再次镦粗后反复使用旋转压平和滚圆进行锻造，直到将坯料变形至最终尺寸，期间回炉保温两次。在锻造完成后按照GB/T 6402-1991二级标准探伤。探伤结果显示，2支锻件均不合格，探伤过程中底波消失，证明有非常严重的缺陷，已无法进行当量估算。

实施例和对比例的结果表明，本发明提出的一种高效愈合薄板类锻件内部缺陷的锻造方法，有效愈合了钢锭内部的孔洞型缺陷，可以保证锻件的质量，大大减少了锻件因内部缩孔、疏松未锻合而无法通过探伤检验导致报废的可能。

Claims (7)

1.一种高效愈合薄板类锻件内部缺陷的锻造方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）在倒棱、切除冒口工艺结束后，对钢锭进行一次镦粗拔长；

2）使用上下平板对坯料进行镦粗，使用旋转压平或拔长工艺将坯料变形至接近最终尺寸；

3）将坯料回炉重新加热并保温；

4）使用上下平板沿坯料厚度方向压下，并保持压力持续作用于坯料；

5）将坯料锻造至最终尺寸；

所述步骤2）中，当最终锻件为管板类锻件或横截面接近正方形的模块类锻件时，沿坯料轴线方向进行镦粗，直至压机压力极限，无法使坯料继续变形为止；

所述步骤2）中，当最终锻件为横截面为长方形的模块类锻件时，沿坯料直径方向进行镦粗，直至压机压力极限，无法使坯料继续变形为止；

所述步骤3）中，保温时间在3小时以上，以减小后续锻造过程中的变形抗力，并使已闭合的孔洞型缺陷有更充分的时间愈合；

所述步骤4）中，使用压机的极限压力下压，并保持压力2分钟以上；

在坯料横截面面积较大，上下平板无法完全覆盖的情况下，分多次下压，每次保持压力2分钟以上。

2.按照权利要求1所述的高效愈合薄板类锻件内部缺陷的锻造方法，其特征在于：所述步骤1）中，先镦粗，再拔长后坯料的高径比为2。

3.按照权利要求1所述的高效愈合薄板类锻件内部缺陷的锻造方法，其特征在于：所述步骤1）中，在锻件产品质量要求不高的情况下，不对坯料进行此步骤的镦粗拔长。

4.按照权利要求1所述的高效愈合薄板类锻件内部缺陷的锻造方法，其特征在于：所述步骤2）中，镦粗结束后，对管板类锻件，通过滚圆修整外形，之后重复旋转压平、滚圆的过程，使坯料厚度不断减小，接近锻件最终尺寸；

所述步骤2）中，镦粗结束后，对模块类锻件，通过拔长修整外形，使坯料厚度不断减小，接近锻件最终尺寸。

5.按照权利要求4所述的高效愈合薄板类锻件内部缺陷的锻造方法，其特征在于：在旋转压平、滚圆或拔长过程中，坯料温度过低时将坯料返回加热炉内重新加热至锻造温度。

6.按照权利要求4所述的高效愈合薄板类锻件内部缺陷的锻造方法，其特征在于：对管板类锻件，在反复的旋转压平、滚圆结束后，坯料厚度为锻件最终厚度的1.1倍，坯料直径为锻件最终直径的0.9～1.1倍。

7.按照权利要求4所述的高效愈合薄板类锻件内部缺陷的锻造方法，其特征在于：对模块类锻件，在拔长过程结束后，坯料厚度为锻件最终厚度的1.1倍，坯料另两个方向的边长为最终锻件对应边长的0.9～1.1倍。