CN110257617B - 大规格20SiMn主轴的锻造及热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大规格20SiMn主轴的锻造及热处理方法，在钢锭按专用工艺升到1200℃～1250℃后先进行预压钳把，再返炉进行保温，保温结束后再进行两镦两拔成型，拔长过程采用WHF方法，每道次压下量控制在18%～22%，法兰成型采用JTS锻造法原理，变形量达到7%，保证了压实效果的合理有效；锻后风冷至350℃～400℃，再经专用的双正火+回火热处理工艺处理，两次正火后均采用风冷；改善了锻件的探伤粗晶杂波和性能，提升了大型20SiMn主轴的整体产品质量。

Description

大规格20SiMn主轴的锻造及热处理方法
技术领域
本发明属于大规格主轴的锻造及热处理方法的装备制造加工技术领域，具体涉及一种采用油压机生产的大规格20SiMn主轴的锻造及热处理方法。
背景技术
20SiMn主轴作为水利发电的关键部件，对水电站的安全高效运行起到了至关重要的作用，因此对其内部质量和性能提出了较高的要求。
20SiMn钢属于低合金结构钢，大规格的20SiMn主轴法兰的规格一般在1米左右，法兰盘螺栓孔位置受力，要求性能较高，一般采用大吨位钢锭锻造成型，对其整体质量要求较高。
目前，常见的大规格主轴锻造有油压机镦拔成型或油压机镦拔精锻机成型，由于规格较大，一般的锻造方式很难保证内部变形的均匀性和充分性，单纯的正回火也很解决探伤粗晶杂波问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种解决大规格20SiMn主轴锻造过程变形不均匀、变形不充分、锻后超探杂波粗晶、力学性能不合格等难题的大规格20SiMn主轴的锻造及热处理方法。
本发明的目的是这样实现的：一种大规格20SiMn主轴的锻造及热处理方法，具体步骤如下：
步骤1)、首先钢锭在600～650℃温度下进行低温保温3小时，然后以不超过80℃/h的速度升温至700～800℃保温5小时，再按功率升温至1200～1250℃后出炉；
步骤2)、将步骤1)出炉后的钢锭进行第一次镦粗拔长，在1100mm宽上下平砧上拔长，每道次压下量控制在18％～22％，倒棱单边50mm，一次镦粗拔长结束后继续返炉加热2～3小时；
步骤3)、将步骤2)出炉后的中间坯再进行第二次镦粗拔长，在1100mm宽上下平砧上拔长，每次压下量控制在18％～22％，第二次镦粗拔长结束后继续返炉加热2～3小时；
步骤4)、将步骤3)出炉后的中间坯再吊至油压机，在700mm宽的上下平砧上倒八方并滚圆，按要求刻痕并将中间凹档锻制成品，由于钢锭较大，锭尾端余料较短，为防止夹爪印需先夹持冒口端，将尾端凹档一锤宽锻至成品尺寸，再将冒口端凹档一锤宽锻至成品尺寸；然后尾冒调头，夹持锻坯锭尾端，冒口端用天车吊着缓冲器进行辅助，将中间凹档锻造至成品尺寸，拔长过程采用顺拔方式，保证锻造效率；
步骤5)、法兰盘成型：先成型冒口端法兰盘，再调头成型尾端法兰盘，将法兰盘锻造至成品尺寸，变形量达到7％；
步骤6)、锻后利用余热进行校直；
步骤7)、锻后将锻件用天车吊至风冷场地进行风冷，为了达到了良好的冷却效果，利用功率为7.5KW口径为1200mm的轴流风机，轴身两侧对称各摆放两台风机，确保整个锻件在风机最佳工作有效范围内，并每隔半小时翻料一次，确保锻件冷却均匀；当锻件中间凹档温度符合工艺要求350℃～400℃即入退火炉执行专用双正火+回火工艺；
步骤8)、专用双正火+回火工艺：锻后风冷至350～400℃入炉，以≤80℃/h升温至620～680℃并保温8小时，再按功率升温至第一次正火温度880℃～980℃，均温大于8小时并保温6.5小时，出炉风冷至350～400℃入炉；在350～400℃保温8小时，以≤80℃/h升温至620～680℃并保温8小时，按功率升温至第二次正火温度850℃～950℃，均温大于8小时并保温6.5小时，风冷至350～400℃入炉；在350～400℃保温8小时，以≤80℃/h升温至回火温度550℃～650℃，均温结束后保温24h,在炉内以≤50℃/h冷却至250℃；
步骤9)：热处理工艺结束后出炉交检探伤及切片进行性能试验。
在步骤1)中，钢锭按专用加热工艺升温至1200℃～1250℃后出炉用天车吊至5000吨油压机预压钳把，错平锭尾尖角，之后再返炉保温10小时。
在步骤2)、3)中，钢锭在保温结束后出炉执行两镦两拔工序，拔长过程采用WHF法，所述WHF法是指宽平砧强压拔长法，采用宽砧子、增大送进量，使砧面下的变形区和变形影响区向心部扩展，使心部建立起静水压力，保证砧宽比在0.4～0.8之间，每道次压下量控制在18％～22％，便能很好的保证内部的压实效果。
在步骤5)的法兰盘成型中，利用内外温差，采用JTS锻造法，JTS锻造法具体是指法兰内部温度高，表面温度低，再对法兰盘施压锻造至成品，可使变形集中于心部，使法兰处于强烈的三向压应力状态，以此获得内部疏松区的压实效果，且变形量达到7％，保证了内部压实效果；先成型冒口端法兰盘，再调头成型尾端法兰盘，提高生产效率。
在步骤8)的风冷过程中为保证两次正火后风冷的效果，风冷过程翻料及风机摆放要求同步骤7)，风冷过程每隔半小时翻料一次且测温，当锻件中间凹档温度符合工艺要求350℃～400℃即入退火炉；为了保证热处理效果，均保温过程需保证炉温均匀性，必要时进行人工调火。
本发明具有如下有益效果：本发明解决了大规格20SiMn主轴锻造过程变形不均匀、变形不充分、锻后超探杂波粗晶、力学性能不合格等难题，不仅使产品质量得到保证，而且生产效率高、降低了生产成本，同时锻件锻透性好，力学性能均匀，延长了使用寿命，生产工艺更加经济、科学。
附图说明
图1本发明的20SiMn主轴锻坯图。
图2本发明的20SiMn主轴钢锭加热工艺图。
图3本发明的20SiMn主轴中间坯刻痕图。
图4本发明的20SiMn主轴热处理双正火+回火工艺图。
具体实施方式
本发明公开了一种大规格20SiMn主轴的锻造及热处理方法，在钢锭按专用工艺升到1200℃～1250℃后先进行预压钳把，再返炉进行保温，保温结束后再进行两镦两拔成型，拔长过程采用WHF方法，每道次的压下量控制在18％～22％，法兰成型采用JTS锻造法原理，变形量达到7％，锻后风冷至350℃～400℃，再经专用的双正火+回火热处理工艺处理，两次正火后均采用风冷。
具体步骤如下：
步骤1：首先将钢锭按专用加热工艺加热：将钢锭在600～650℃温度下进行低温保温3小时，然后以不超过80℃/h的速度升温至700～800℃保温5小时，再按功率升温至1200～1250℃后出炉用天车吊至5000吨油压机预压钳把，错平锭尾尖角，之后再返炉保温10小时，保温结束后出炉锻造。
步骤2：将步骤1出炉后的钢锭进行第一次镦粗拔长，在1100mm宽上下平砧上拔长，拔长过程采用WHF法，每道次的压下量控制在18％～22％，倒棱单边约50mm，一次镦粗拔长结束后继续返炉加热2～3小时。
步骤3：将步骤2出炉后的中间坯再进行第二次镦粗拔长，在1100mm宽上下平砧上拔长，拔长过程采用WHF法，每道次的压下量控制在18％～22％，第二次镦粗拔长结束后继续返炉加热2～3小时。
步骤4：将步骤3出炉后的中间坯再吊至油压机，在700mm宽的上下平砧上倒八方并滚圆，按要求刻痕并将中间凹档锻制成品，由于钢锭较大，锭尾端余料较短，为防止夹爪印需先夹持冒口端，将尾端凹档一锤宽锻至成品尺寸，再将冒口端凹档一锤宽锻至成品尺寸；然后尾冒调头，夹持锻坯锭尾端，冒口端用天车吊着缓冲器进行辅助，将中间凹档锻造至成品尺寸，拔长过程采用顺拔方式，保证锻造效率。
步骤5：法兰盘成型：由于法兰盘较大，表面温度低，内部温度高，利用内外温差，采用JTS锻造法原理，将法兰盘锻造至成品尺寸，变形量达到7％，保证了内部压实效果；先成型冒口端法兰盘，再调头成型尾端法兰盘，提高生产效率。
步骤6：锻后利用余热进行校直；
步骤7：锻后将锻件用天车吊至风冷场地进行风冷，为了达到了良好的冷却效果，利用功率为7.5KW口径为1200mm的轴流风机，轴身两侧对称各摆放两台风机，确保整个锻件在风机最佳工作有效范围内，并每隔半小时翻料一次，确保锻件冷却均匀；当锻件中间凹档温度符合工艺要求350℃～400℃即入退火炉执行专用双正火+回火工艺。
步骤8：专用双正火+回火工艺：锻后风冷至350～400℃入炉，以≤80℃/h升温至620～680℃并保温8小时，再按功率升温至880℃～980℃，均温大于8小时并保温6.5小时，出炉风冷至350～400℃入炉；在350～400℃保温8小时，以≤80℃/h升温至620～680℃并保温8小时，按功率升温至850℃～950℃，均温大于8小时并保温6.5小时，风冷至350～400℃入炉；在350～400℃保温8小时，以≤80℃/h升温至550℃～650℃，均温结束后保温24h,在炉内以≤50℃/h冷却至250℃。为了保证两次正火后风冷的效果，风冷过程翻料及风机摆放要求同步骤7；风冷过程测温以锻件中间凹档温度符合工艺要求350℃～400℃即入退火炉；为了保证热处理效果，均保温过程需保证炉温均匀性，必要时进行人工调火。
步骤9：热处理工艺结束后出炉交检探伤及切片进行性能试验。
实施例1：某特钢企业实施本发明，以锻造两端法兰盘为Ф1240mm*370mm，轴身为Ф780mm*5035mm的20SiMn主轴，先根据其锻坯重量选取钢锭，因法兰规格较大，考虑到两端弃料的占比，将利用率定在72％，选取了36吨的精炼钢锭。具体生产过程如下：
步骤1：按专用加热规范加热：首先将钢锭在600～650℃温度下进行低温保温3小时，然后以不超过80℃/h的速度升温至700～800℃保温5小时，再按功率升温至1200～1250℃，升到1200～1250℃后出炉用天车吊至5000吨油压机预压钳把，错平锭尾尖角，之后再返炉保温10小时，保温结束后出炉锻造。加热过程需确保加热均匀，避免出现阴阳面在后续镦粗时发生倾斜。
步骤2：第一次镦拔：保温结束后用天车将钢锭吊至5000吨油压机进行第一次的镦粗，镦粗至H＝1300mm，再在1100mm宽上下平砧上拔长至热方1200mm，整个拔长过程采用WHF法，根据表1进行拔长，每道次的压下量控制在18％～20％，可获得均匀变形，锻件中心层压实效果良好，拔长过程需注意搭砧错砧，压“谷”避“峰”，保证锻件的均匀变形，以获得整体压实、晶粒细匀、性能一致的锻造效果。倒棱单边约50mm，一次镦粗拔长结束后继续返炉加热。
表1：第一次拔长WHF法程序表
Figure BDA0002124449220000061
Figure BDA0002124449220000071
步骤3：二次镦拔:经步骤2中间坯返炉加热2～3小时后，再出炉进行第二次镦拔，镦粗至H＝1300mm，在拔长至热方1320mm后返炉加热，拔长过程依然采用WHF法，每道次的压下量控制在18％～20％，根据表2进行拔长，拔长过程的注意事项同步骤2。
表2：第二次拔长WHF法程序表
序号 压下前高度 压下量 压下后高度 压下后宽度 翻转角度
1 2050 430 1620 2140 90
2 2140 425 1715 1695 90
3 1695 355 1340 1870 90
4 1870 375 1495 1490 90
5 1490 310 1180 1645 90
6 1645 325 1320 1320 90
步骤4：中间凹档成型：经步骤3的锻坯返炉加热2～3小时后出炉锻造，将油压机锤头换为700mm宽上下平砧，锻件倒八方并滚圆至热
Figure BDA0002124449220000072
按工艺要求进行刻痕，由于钢锭较大，锭尾端余料较短，为防止夹爪印需先夹持冒口端，将尾端凹档一锤宽锻至成品热
Figure BDA0002124449220000073
再将冒口端凹档一锤宽锻至成品热
Figure BDA0002124449220000074
然后尾冒调头，夹持锻坯锭尾端，冒口端用天车吊着缓冲器进行辅助，将中间凹档锻造至成品热Ф792mm，采用顺拔方式，保证锻造效率。
步骤5：法兰盘成型：由于法兰盘较大，表面温度低，内部温度高，利用内外温差，采用JTS锻造法原理，将法兰盘锻造至成品尺寸热Ф1259mm，变形量达到7％，保证了内部压实效果；先成型冒口端法兰盘，再调头成型尾端法兰盘，提高生产效率。
步骤6：锻后利用余热进行校直。
步骤7：经步骤6热校后的锻件用天车吊至风冷场地进行风冷，为了达到了良好的冷却效果，利用功率为7.5KW口径为1200mm的轴流风机，轴身两侧对称各摆放两台风机，确保整个锻件在风机最佳工作有效范围内，并每隔半小时翻料一次，确保锻件冷却均匀；当锻件中间凹档温度符合工艺要求350℃～400℃即入退火炉执行专用工艺。
步骤8：专用双正火+回火工艺：锻后风冷至350～400℃入炉，以≤80℃/h升温至620～680℃并保温8小时，再按功率升温至880℃～980℃，均温大于8小时并保温6.5小时，出炉风冷至350～400℃入炉；在350～400℃保温8小时，以≤80℃/h升温至620～680℃并保温8小时，按功率升温至850℃～950℃，均温大于8小时并保温6.5小时，风冷至350～400℃入炉；在350～400℃保温8小时，以≤80℃/h升温至550℃～650℃，均温结束后保温24h,在炉内以≤50℃/h冷至250℃。为了保证两次正火后风冷的效果，风冷过程翻料及风机摆放要求同步骤7；当锻件中间凹档温度符合工艺要求350℃～400℃即入退火炉；为了保证热处理效果，均保温过程需保证炉温均匀性，必要时进行人工调火。
步骤9：热处理工艺结束后出炉交检探伤及切片进行性能试验。
通过上述各工序的严格控制，按照客户要求的技术标准JB/T1270-2014进行检测，探伤结果合格，在其法兰盘螺栓孔
Figure BDA0002124449220000081
对称位置上分别取一拉两冲做横向性能，其性能数据如下表3，各项指标优于标准要求，受到用户的高度认可。合理的锻造方式和热处理方法提高了产品质量，解决了探伤粗晶杂波和性能难题，并且节约了生产成本，为企业带来了良好的经济效益。
表3性能数据
Figure BDA0002124449220000091

Claims (5)

1.一种大规格20SiMn主轴的锻造及热处理方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤1）、首先钢锭在600～650℃温度下进行低温保温3小时，然后以不超过80℃/h的速度升温至700～800℃保温5小时，再按功率升温至1200～1250℃后出炉；
步骤2）、将步骤1）出炉后的钢锭进行第一次镦粗拔长，在1100mm宽上下平砧上拔长，每道次压下量控制在18%～22%，倒棱单边50mm，一次镦粗拔长结束后继续返炉加热2～3小时；
步骤3）、将步骤2）出炉后的中间坯再进行第二次镦粗拔长，在1100mm宽上下平砧上拔长，每次压下量控制在18%～22%，第二次镦粗拔长结束后继续返炉加热2～3小时；
步骤4）、将步骤3）出炉后的中间坯再吊至油压机，在700mm宽的上下平砧上倒八方并滚圆，按要求刻痕并将中间凹档锻制成品，由于钢锭较大，锭尾端余料较短，为防止夹爪印需先夹持冒口端，将尾端凹档一锤宽锻至成品尺寸，再将冒口端凹档一锤宽锻至成品尺寸；然后尾冒调头，夹持锻坯锭尾端，冒口端用天车吊着缓冲器进行辅助，将中间凹档锻造至成品尺寸，拔长过程采用顺拔方式，保证锻造效率；
步骤5）、法兰盘成型：先成型冒口端法兰盘，再调头成型尾端法兰盘，将法兰盘锻造至成品尺寸，变形量达到7%；
步骤6）、锻后利用余热进行校直；
步骤7）、锻后将锻件用天车吊至风冷场地进行风冷，为了达到了良好的冷却效果，利用功率为7.5KW口径为1200mm的轴流风机，轴身两侧对称各摆放两台风机，确保整个锻件在风机最佳工作有效范围内，并每隔半小时翻料一次，确保锻件冷却均匀；当锻件中间凹档温度符合工艺要求350℃～400℃即入退火炉执行专用双正火+回火工艺；
步骤8）、专用双正火+回火工艺：锻后风冷至350～400℃入炉，以≤80℃/h升温至620～680℃并保温8小时，再按功率升温至第一次正火温度880℃～980℃，均温大于8小时并保温6.5小时，出炉风冷至350～400℃入炉；在350～400℃保温8小时，以≤80℃/h升温至620～680℃并保温8小时，按功率升温至第二次正火温度850℃～950℃，均温大于8小时并保温6.5小时，风冷至350～400℃入炉；在350～400℃保温8小时，以≤80℃/h升温至回火温度550℃～650℃，均温结束后保温24h,在炉内以≤50℃/h冷却至250℃；
步骤9）：热处理工艺结束后出炉交检探伤及切片进行性能试验。
2.根据权利要求1所述的一种大规格20SiMn主轴的锻造及热处理方法，其特征在于：在步骤1）中，钢锭按专用加热工艺升温至1200℃～1250℃后出炉用天车吊至5000吨油压机预压钳把，错平锭尾尖角，之后再返炉保温10小时。
3.根据权利要求1所述的一种大规格20SiMn主轴的锻造及热处理方法，其特征在于：在步骤2）、3）中，钢锭在保温结束后出炉执行两镦两拔工序，拔长过程采用WHF法，所述WHF法是指宽平砧强压拔长法，采用宽砧子、增大送进量，使砧面下的变形区和变形影响区向心部扩展，使心部建立起静水压力，保证砧宽比在0.4～0.8之间，每道次压下量控制在18%～22%，便能很好的保证内部的压实效果。
4.根据权利要求1所述的一种大规格20SiMn主轴的锻造及热处理方法，其特征在于：在步骤5）的法兰盘成型中，利用内外温差，采用JTS锻造法，JTS锻造法具体是指法兰内部温度高，表面温度低，再对法兰盘施压锻造至成品，可使变形集中于心部，使法兰处于强烈的三向压应力状态，以此获得内部疏松区的压实效果，且变形量达到7%，保证了内部压实效果；先成型冒口端法兰盘，再调头成型尾端法兰盘，提高生产效率。
5.根据权利要求1所述的一种大规格20SiMn主轴的锻造及热处理方法，其特征在于：在步骤8）的风冷过程中为保证两次正火后风冷的效果，风冷过程翻料及风机摆放要求同步骤7），风冷过程每隔半小时翻料一次且测温，当锻件中间凹档温度符合工艺要求350℃～400℃即入退火炉；为了保证热处理效果，均保温过程需保证炉温均匀性，必要时进行人工调火。
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