CN104858254A - 35CrMo钢厚壁管立式反挤压工艺及所用挤压模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种35CrMo钢厚壁管立式反挤压工艺及所用挤压模具，其工艺为：钢锭下料后进行加热、去氧化皮后放入已加热的模具内；给模具安装脱料板，主缸下压到合模位置以上位置，进行坯料第一次反挤压，然后回程；拆掉脱料板后主缸继续下压，压制上下模合模后回程；最后顶出工件，挤压模具的凸模垫板固定于凸模固定板下方，镦粗板和冲头固定于凸模垫板下方，镦粗板套设于冲头外侧，凹模下方与凹模垫圈固连，凹模外圈紧密套设于凹模和凹模垫圈外侧，凹模外圈下侧与凹模垫板固连，凹模顶杆滑动插设于凹模垫板内，且凹模顶杆与凹模垫圈内孔位置正对，本发明所得产品金属流线明显，晶粒度达到7级，避免了后续加工，节省成本。

Description

35CrMo钢厚壁管立式反挤压工艺及所用挤压模具

技术领域

发明涉及一种金属加工工艺方法及其所用模具，特别涉及一种35CrMo钢厚壁管立式反挤压工艺及所用挤压模具。

背景技术

大口径厚壁管在化工和石油机械领域用途广泛，目前常规的加工方法为热轧和冷轧（拨）无缝钢管两类，热轧无缝钢管分一般钢管，低、中压锅炉钢管，高压锅炉钢管、合金钢管、不锈钢管、石油裂化管、地质钢管和其它钢管等。

冷轧（拨）无缝钢管除分一般钢管、低中压锅炉钢管、高压锅炉钢管、合金钢管、不锈钢管、石油裂化管、其它钢管外，还包括碳素薄壁钢管、合金薄壁钢管、不锈薄壁钢管、异型钢管。热轧无缝管外径一般大于32mm，壁厚2.5-75mm，冷轧无缝钢管处径可以到6mm，壁厚可到0.25mm，薄壁管外径可到5mm，壁厚小于0.25mm，冷轧比热轧尺寸精度高。

一般用无缝钢管：是用10#、20#、30#、35#、45#等优质碳结钢16Mn、5MnV等低合金结构钢或40Cr、30CrMnSi、45Mn2、40MnB等合金钢热轧或冷轧制成的。

然而这种加工方式导致产品强度低，在拉拔生产工艺中容易出现开裂等现象。

针对35CrMo钢厚壁管立式反挤压工艺进行分析，35CrMo合金钢变形温度、应变速度与金属流动性之间的对应规律，结论是：35CrMo在反挤压状态时尽管高的变温度和慢的变形速度(20mm/s)，按常规理论分析晶粒度会增大，特别动态再结晶过程充分；变形速度越慢，变形温度越高，晶粒尺寸越大，晶粒越大-则晶界也越大，那么晶粒越大则材料中的“裂纹”越大。

发明内容

为了弥补以上不足，本发明提供了一种35CrMo钢厚壁管立式反挤压工艺，该工艺所得的35CrMo钢厚壁管强度高，制造成本低。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种35CrMo钢厚壁管立式反挤压工艺，其步骤如下：

步骤一：钢锭下料；

步骤二：坯料加热；

将坯料放入加热炉内先加热到600℃，保温1h，然后快速加热到1190℃～1210℃，保温3～7h，然后将坯料冷却至850℃以上；

步骤三：模具预热

先将凹模外圈放入加热炉加热至200℃～250℃，然后在

压机上将凹模内圈压入凹模外圈；最后预热上、下模至

200℃～250℃；

第四步：压制成型

a.先在下模底部撒石墨粉，在下模内壁和冲头上涂润滑剂，下模通冷却水；

b.坯料出炉，除氧化皮，然后在坯料上表面润滑，装料完成后移入移动工作台；

c.装脱料板；

d.主缸下压到合模位置以上的设定位置，进行坯料第一次反挤压，然后回程；

e.拆脱料板；

f.锻件内腔底部撒润滑剂，冲头上涂润滑剂；

g.主缸继续下压，压制上下模合模，然后回程；

h.用压机内顶出缸顶松工件；

i.移出移动工作台；

j.用压机外顶出缸顶出工件。

作为本发明的进一步改进，所述润滑剂为石墨。

作为本发明的进一步改进，所述每次撒润滑剂以及在冲头上涂润滑剂的时间小于20s。

作为本发明的进一步改进，所述坯料除氧化皮的方式采用预镦除氧化皮的方式，当然也可以采用除鳞机进行除理。

作为本发明的进一步改进，步骤四中压制成型的装脱料板工序时间小于30s。

作为本发明的进一步改进，步骤四中压制成型的拆脱料板工序时间小于30s。

作为本发明的进一步改进，所述冲头在向下挤压过程中的运行速度为60mm/s。

一种35CrMo钢厚壁管立式反挤压用挤压模具，由固定于压机上垫板上的上模和固定于压机下垫板上的下模组成，其中上模包括凸模固定板、凸模垫板、镦粗板和冲头，下模包括凹模、凹模外圈、凹模垫圈、凹模垫板和凹模顶杆，所述凸模垫板固定于凸模固定板下方，镦粗板和冲头固定于凸模垫板下方，其中镦粗板套设于冲头外侧，凹模下方与凹模垫圈固连，凹模外圈紧密套设于凹模和凹模垫圈外侧，凹模外圈下侧与凹模垫板固连，凹模顶杆滑动插设于凹模垫板内，且凹模顶杆与凹模垫圈内孔位置正对。

作为本发明的进一步改进，所述冲头的材料为AISI-H-1热处理3模具钢，且在冲头表面涂覆有一层碳粉。

作为本发明的进一步改进，所述冲头外侧壁为具有7°的斜度。

本发明的有益技术效果是：本发明采取反挤压工艺加工35CrMo钢厚壁管，通过先把材料加热到适当的温度，然后分步反挤压成型，反挤压成形工艺得到的产品，理化和金相表明金属流线明显，晶粒度达到7级，机性指标均满足用户要求。据有关资料介绍按热挤压力公式计算,通过统计回归首次得到了35CrMo合金钢的动态再结晶数学模型。将该模型集成到Deform数值模拟软件中对动态再结晶过程进行数值模拟,对比模拟结果（晶粒度和挤压力）与实测值,二者吻合良好。说明35CrMo合金钢动态再结晶数学模型的正确性,能够应用于该钢种热成形的组织预测。项目通过反复试验,总结了立式挤压工艺的成形方案，针对φ593mm(外径)×φ401mm(内径)×1149mm规格的大口径厚壁管进行计算，在保证厚壁管组织性能的条件下,采用5～7范围内的挤压比是合理的，而且采用反挤压工艺成型避免了后续加工程序，节省人工和制造成本。

附图说明

图1为发明的反挤压模具结构示意图。

说明书附图标记说明：

1——凹模       2——凹模外圈     3——凸模固定板

4——凹模垫板   5——移动工作台板 6——压机上垫板

7——压机下垫板 8——凸模垫板  9——镦粗板

10——冲头        11——凹模垫圈   12——顶杆

13——厚壁管锻件图  14——顶杆垫板 15——凹模顶杆

具体实施方式

实施例：一种35CrMo钢厚壁管立式反挤压工艺，其步骤如下：

步骤一：钢锭下料：

钢锭下料￠500×885mm，尺寸精确度在±5mm；

步骤二：坯料加热；

将坯料放入加热炉内先加热到600℃，保温1h，然后快速加热到1190℃～1210℃，保温3～7h，然后将坯料冷却至850℃以上，加热后温度应均匀，坯料表面不得有严重氧化皮，不允许严重脱碳、过热、过烧、内部裂纹等弊病的产生，所用工具为天然气加热炉，生产中设备故障或模具修理时，若抢修时间≤1h，炉温保持等待，若≥1h，炉温迅速降至800℃保温；

步骤三：模具预热

先将凹模外圈放入加热炉加热至200℃～250℃，然后在

压机上将凹模内圈压入凹模外圈；最后预热上、下模至

200℃～250℃；

第四步：压制成型

a.在下模底部撒石墨粉，下模内壁涂石墨润滑剂，冲头上涂石墨润滑剂，下模通冷却水，检查底部顶出板是否落回原位,撒石墨粉以及涂润滑剂时间要小于20s；

b.坯料出炉，预镦除氧化皮，移出移动工作台装料，坯料上表面撒石墨粉，装料完成后移入移动工作台，撒石墨粉以及涂润滑剂时间要小于20s，预镦除氧化皮时，将加热好的坯料用操作机夹持至预先放置在压机工作平台上的镦粗柱，镦粗压下量在10～20mm左右，使坯料的氧化皮脱落；

c.装脱料板：装脱料板时间小于30s；

d.主缸下压，行程走到-160mm时回程，总压制行程540mm，以上下模压靠时的位置为0点，上模接触工件时的位移为-540mm；

e.拆脱料板：拆脱料板时间小于30s；

f.锻件内腔底部撒石墨润滑剂，冲头上涂润滑剂，撒石墨粉以及涂润滑剂时间小于20s；

g.主缸继续下压，压至上下模贴合（行程0mm），然后立即回程，压制完成到回程的时间间隔小于20s，总压制行程540mm，以上下模压靠时的位置为0点，上模接触工件时的位移为-540mm；

h.用压机内顶出缸顶松工件；

i.移出移动工作台；

j.用压机外顶出缸（行程300mm）顶出工件。

35CrMo钢厚壁管预成型件锻造致密化过程数值模拟及工艺优化如下：

成型工艺利用DEFORM-3D软件进行数值模拟分析，采用单一因素变量法模拟不同的方案，选取最优工艺参数完成锻造过程，以达到质量的最优化和效益的最大化。下面即对影响锻件成型的各个因素进行分析，从而确定最优工艺方案：

1.成形速度对厚壁管成形的影响：

在厚壁管热挤压过程中，当挤压变形程度一定时，成形速度直接决定金属变形速度的大小，影响挤压件的质量、挤压力大小以及挤压模具温度、应力场的分布状态。在以下模拟中分别选取成形速度v为15mm/s、30mm/s、60mm/s进行研究。

（1）成形速度对成形载荷的影响其实有两种不同的机制在相互影响：

成形速度较高时，锻造过程时间较短，锻件内部温度热能量散失较少，变形热效应相对明显，因此变形抗力较小；但成形速率较高又容易导致应变速率及加工硬化速度增大（尤其是对于一些应变速率敏感的材料），变形抗力较大。

通过分析发现本次成型过程，随着变形速度的增加，变形力先快速降低后缓慢上升。这主要是因为成形速度小时，模具与工件的接触时间逐渐变长，工件对流散热及辐射传热的时间也相应增加，导致变形力较大。而当成型速度增加时，由于变形热效应引起的温度上升不足以完全抵消了加工硬化的影响，加工硬化的影响开始占主导，因此导致变形抗力略升。

（2）成形速度对锻件终锻温度的影响规律：

工件变形过程中坯料变形过程中的最高温度由1170℃升高至1200℃，最低温度有656℃上升至724℃，这说明随着初始温度的升高，材料的流动性增强，工件变形的不均匀性得到了改善。产生这种效果的原因：1.变形热效应；2.随着变形速度的增加，模具与工件的接触时间逐渐变短，工件对流散热及辐射传热的时间也相应减少，最终使得坯料终锻温度略有上升。

（3）成形速度对模具表层温度的影响规律：

在热挤压过程中模具与坯料之间的热交换、坯料变形及坯料与模具表面之间的摩擦引起的表层温度升高对模具抗磨损能力有十分重要的影响。凸模温度随着变形速度的增加，凸模的最高温度由944℃降低到869℃。这就说明凸模温度与热传导的时间有关（行程一定的情况下，速度越大，热传导的时间越短），坯料与模具相互作用时间越长，模具温度上升越明显。尽管在设备成形速度增加的情况下凸模表面的最高温度有一定的下降，但869℃的高温也已经超过了凸模的回火温度（H13回火温度560℃～580℃），模具长时间在该温度下工作，必然引起表面软化及过度磨损，导致模具寿命低下。

（4）成形速度对锻件应力场的影响规律：

在成形过程中，工件的最大等效应力由307降低到259，最小等效应变36.1增加到42.2(前后略有波动)。这说明随着变形速度的增加，最大等效应力明显下降，应力分布趋于更加的均匀。

优化方案：通过对凸模下行速度的对比模拟分析得知，挤压速度在一定范围内越大对锻件成型越好，但速度的增大会带来凸模的磨损加剧，因此要对凸模进行热处理，提高硬度，并加大凸模的过渡圆角，提高凸模寿命。最终确定凸模速度为60mm/s。注意在凸模完成锻造任务后要进行及时冷却和润滑，否则会引起表面软化及过度磨损，导致模具寿命低下。冷却方式采用喷雾处理,可防止冷却水滴入凹模,并可借冷却水的雾化作用使模具的冷却均匀。

2.模具初始硬度对凸模磨损量的影响：

此处的模具初始硬度只要针对凸模的初始模具硬度。硬度表征了模具材料的耐磨程度，而耐磨程度直接关系到挤压模具的整体寿命。对于冲孔类热挤压，由于冲头工作面积小，工作行程长，且和高温坯料间存在热传导，因此往往造成表层磨损快而寿命不长。通常是通过选择热锻模具材料以及合理安排热处理工艺来实现。现选取凸模初始硬度43HRC，48HRC，52HRC，55HRC，模拟分析在锻件成形过程中凸模不同的初始模具硬度所对应的磨损量。

从模拟分析结果上可知，随着凸模初始硬度的增加，凸模磨损量逐渐减少，在48～52HRC区间变化最为剧烈，当硬度大于52后，磨损量的变化趋势越来越缓。模具硬度的增加必然以牺牲模具的韧性为代价，模具硬度不能无限制的增加。

此外，还可以采取一些表面强化的措施来提高模具的抗耐磨性能，如渗碳处理。考虑到成本及操作的可行性，可以考虑在工作前在模具型材表面涂覆一层碳粉或者锯末等。工作时这些物质在高温高压下迅速分解形成较高碳势，对工装模具表层产生渗碳作用，经过十几次的工作循环，模具表层形成0.1～0.3mm的硬化层，可大大提高模具的表层硬度和耐磨性，使寿命大幅度提高。

优化方案：凸模材料采用AISI-H-13热处理，可在模具型材表面涂覆一层碳粉，提高模具的表层硬度和耐磨性，使模具寿命大幅度提高。

3.凸模斜度对锻件的影响：

为了便于锻件取出，模具通常制成一定的斜度，但脱模斜度对金属的填充是不利的。这是因为当锻件外脱模斜度不变，而内孔脱模斜度的增大的情况下，锻件侧壁呈现下大上小，且这种趋势越来越明显。金属在这种模具结构下的充填是变截面挤压过程，金属处于三向压应力状态。为了使填充过程得以进行，必须使已填充模膛的前端金属满足屈服条件，当模壁的斜度越大时所需的压挤力也越大。通过作用力与反作用力的分析即可知，凹模在成形方向上所受的力也会随着脱模斜度的增大而增大。模拟结果与理论分析的结果完全吻合。在实际生产过程中就出现过因为内外脱模斜度取得不合适，导致凹模与凹模连接板之间的螺栓断裂。

优化方案：为保证凸模顺利脱模，可使厚壁管外壁尽可能的减小斜度（甚至直接变为直筒型），以此来加大厚壁管和凹模内圈的接触力，降低锻件留在上模的概率。因凹模内设置顶出杆，所以应将锻件留在凹模内取出。凸模外壁斜度可取7°。

一种35CrMo钢厚壁管立式反挤压用挤压模具,由固定于压机上垫板上的上模和固定于压机下垫板上的下模组成，其中上模包括凸模固定板、凸模垫板、镦粗板和冲头，下模包括凹模、凹模外圈、凹模垫圈、凹模垫板和凹模顶杆，所述凸模垫板固定于凸模固定板下方，镦粗板和冲头固定于凸模垫板下方，其中镦粗板套设于冲头外侧，凹模下方与凹模垫圈固连，凹模外圈紧密套设于凹模和凹模垫圈外侧，凹模外圈下侧与凹模垫板固连，凹模顶杆滑动插设于凹模垫板内，且凹模顶杆与凹模垫圈内孔位置正对。

所述冲头的材料为AISI-H-1热处理3模具钢，且在冲头表面涂覆有一层碳粉。

所述冲头外侧壁为具有7°的斜度。

Claims (10)

1.一种35CrMo钢厚壁管立式反挤压工艺，其特征为：其步骤如下：

步骤一：钢锭下料；

步骤二：坯料加热；

将坯料放入加热炉内先加热到600℃，保温1h，然后快速加热到1190℃～1210℃，保温3～7h，然后将坯料冷却至850℃以上；

步骤三：模具预热

先将凹模外圈放入加热炉加热至200℃～250℃，然后在

压机上将凹模内圈压入凹模外圈；最后预热上、下模至

200℃～250℃；

第四步：压制成型

a.先在下模底部撒石墨粉，在下模内壁和冲头上涂润滑剂，下模通冷却水；

b.坯料出炉，除氧化皮，然后在坯料上表面润滑，装料完成后移入移动工作台；

c.装脱料板；

d.主缸下压到合模位置以上的设定位置，进行坯料第一次反挤压，然后回程；

e.拆脱料板；

f.锻件内腔底部撒润滑剂，冲头上涂润滑剂；

g.主缸继续下压，压制上下模合模，然后回程；

h.用压机内顶出缸顶松工件；

i.移出移动工作台；

j.用压机外顶出缸顶出工件。

2.如权利要求1所述的35CrMo钢厚壁管立式反挤压工艺,其特征是：所述润滑剂为石墨。

3.如权利要求1所述的35CrMo钢厚壁管立式反挤压工艺,其特征是：所述每次撒润滑剂以及在冲头上涂润滑剂的时间小于20s。

4.如权利要求1所述的35CrMo钢厚壁管立式反挤压工艺,其特征是：所述坯料除氧化皮的方式采用预镦除氧化皮的方式。

5.如权利要求1所述的35CrMo钢厚壁管立式反挤压工艺,其特征是：步骤四中压制成型的装脱料板工序时间小于30s。

6.如权利要求1所述的35CrMo钢厚壁管立式反挤压工艺,其特征是：步骤四中压制成型的拆脱料板工序时间小于30s。

7.如权利要求1所述的35CrMo钢厚壁管立式反挤压工艺,其特征是：所述冲头在向下挤压过程中的运行速度为60mm/s。

8.一种权利要求1所述的35CrMo钢厚壁管立式反挤压用挤压模具,其特征是：由固定于压机上垫板上的上模和固定于压机下垫板上的下模组成，其中上模包括凸模固定板、凸模垫板、镦粗板和冲头，下模包括凹模、凹模外圈、凹模垫圈、凹模垫板和凹模顶杆，所述凸模垫板固定于凸模固定板下方，镦粗板和冲头固定于凸模垫板下方，其中镦粗板套设于冲头外侧，凹模下方与凹模垫圈固连，凹模外圈紧密套设于凹模和凹模垫圈外侧，凹模外圈下侧与凹模垫板固连，凹模顶杆滑动插设于凹模垫板内，且凹模顶杆与凹模垫圈内孔位置正对。

9.如权利要求8所述的35CrMo钢厚壁管立式反挤压用挤压模具,其特征是：所述冲头的材料为AISI-H-1热处理3模具钢，且在冲头表面涂覆有一层碳粉。

10.如权利要求9所述的35CrMo钢厚壁管立式反挤压用挤压模具,其特征是：所述冲头外侧壁为具有7°的斜度。