CN112872284A - 一种多台阶轴类锻件及其锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多台阶轴类锻件及其锻造方法，涉及金属锻造技术领域，解决了现有技术中大截面轴类锻件出成品时大直径截面锻比过小容易造成晶粒粗大、台阶小直径截面锻比过大容易出现裂纹等问题。本发明的锻造方法为对钢锭进行加热炉加热和自由锻，得到预制坯，预制坯包括坯身以及坯身两端的端部，端部的直径小于坯身的直径；预制坯依次进行冷却、返炉保温和加热保温；出加热炉后对预制坯的坯身依次进行镦粗和拔长，形成轴身；对形成轴身后的预制坯进行端部拔长，形成多个直径不同的台阶轴。本发明的多台阶轴类锻件及其锻造方法能够提高最大截面的出成品变形量，减少其他台阶轴的单次变形量，从而实现锻件全部部位发生动态再结晶。

Description

一种多台阶轴类锻件及其锻造方法

技术领域

本发明涉及金属锻造技术领域，特别涉及一种多台阶轴类锻件及其锻造方法。

背景技术

目前，大截面轴类锻件在锻造过程中采用拔长光棒后，由大截面分步拔长各台阶尺寸；由于台阶较多，需要在出成品前拔长到统一光棒尺寸；这样造成大直径截面相对压下量较少，锻比过小，不利于主截面动态再结晶，容易造成晶粒粗大的现象；而台阶小直径截面相对锻比过大，在温降的情况下，容易出现裂纹对锻件表面质量及近净成形都有影响，尤其在25Cr2NiMoV大截面高中低联合转子的生产中，上述不足尤为突出。

发明内容

鉴于上述分析，本发明旨在提供一种多台阶轴类锻件及其锻造方法，解决了现有技术中大截面轴类锻件的大直径截面出成品过程中锻比过小容易造成晶粒粗大、台阶小直径截面锻比过大容易出现裂纹等问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种多台阶轴类锻件的锻造方法，包括如下步骤：

步骤1：对钢锭进行加热炉加热及水压机上自由锻，得到预制坯，预制坯包括坯身以及坯身两端的端部，端部的直径小于坯身的直径，从而在端部和坯身之间形成台阶面；

步骤2：预制坯依次进行冷却和返炉保温，使得预制坯的心部温度下降，得到返炉预制坯；

步骤3：对返炉预制坯进行高温加热保温，得到加热预制坯；

步骤4：对加热预制坯的坯身依次进行镦粗和拔长，形成轴身；

步骤5：对形成轴身后的预制坯进行端部拔长，形成多个直径不同的台阶轴，从而完成多台阶轴类锻件的锻造。

进一步地，上述多台阶轴类锻件的锻造方法尤其适用于大截面多台阶轴类锻件的锻造，该大截面多台阶轴类锻件的轴身直径为1.5m以上，例如，1.5m～2.0m。

进一步地，上述步骤2中，冷却为空冷。

进一步地，上述步骤1包括如下步骤：

步骤11：对钢锭进行加热和多次镦拔，使得钢锭的心部压实，确保铸态组织破碎，有效锻合心部缺陷，得到圆柱形坯料；

步骤12：对圆柱形坯料进行加热和拔长，使得圆柱形坯料的中间部分直径变细，两端变细变长，得到预制坯。

进一步地，上述步骤11和步骤12中，加热温度为1230℃～1270℃。

进一步地，上述步骤2中，冷却时间为5h～8h。

进一步地，上述步骤2中，返炉保温温度为650℃～700℃，返炉保温时间为20h以上。

进一步地，上述步骤2中，返炉保温时间为24h～36h。

进一步地，上述步骤3中，加热温度为1150℃～1200℃，保温时间为8h～12h。

进一步地，上述步骤4中，采用镦粗模具对加热预制坯的坯身进行镦粗，镦粗模具包括相对设置的两个镦粗盘，其中一个镦粗盘套设于加热预制坯的一端，另一个镦粗盘套设于加热预制坯的另一端，镦粗盘的内径与加热预制坯的端部直径相匹配，镦粗盘内腔体积与预制坯两端体积对应，并带有1～3°斜度利于拔模。

进一步地，镦粗盘包括上镦粗盘和下镦粗盘，上镦粗盘套设于预制坯料的上端，下镦粗盘套设于预制坯料的下端，上镦粗盘的内径与加热预制坯的上端直径相匹配，下镦粗盘的内径与加热预制坯的下端直径相匹配并带有1～3°斜度。

进一步地，上述镦粗盘的材质为ZG5CrMnMo。

进一步地，上述加热预制坯的坯身镦粗后的直径与多台阶轴类锻件成品的轴身直径比大于1.5。

进一步地，端部拔长前的直径与台阶轴成品的直径比大于1.5。

进一步地，上述步骤4中，拔长采用上平下V砧的方式。

进一步地，预制坯下料重量为锻件重量与火耗重量之和。

本发明还提供了一种多台阶轴类锻件，采用上述多台阶轴类锻件的锻造方法制得。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

a)本发明提供的多台阶轴类锻件的锻造方法的目的是提高出成品时最大截面(即轴身)的变形量，相对减少其他台阶轴的单次变形量，从而实现锻件出成品时全部部位发生动态再结晶。

b)本发明提供的多台阶轴类锻件的锻造方法，在锻造过程中，对端部主要有两次拔长，第一次是在步骤1制备预制坯的过程中，通过制备预制坯，端部的直径小于坯身的直径，实现对端部预制拔长，第二次是在步骤5中，对端部相对于轴身进行拔长，形成多个直径不同的阶梯轴。相比于从坯身上直接拔长形成台阶轴，由于之前已经对端部进行了预制拔长，因此，第二次拔长尺寸能够明显减小，拔长时间缩短，温度降低不明显，裂纹出现的几率大大变小，有利于直径较小的台阶轴的表面质量控制。同时，上述多台阶轴类锻件的锻造方法，能够增加最大截面锻比并且在出成品工序完成最大截面的镦粗拔长确保锻比使晶粒细化，同时缩短轴径在出成品的拔长时间，提高出成品火次效率及锻件表面质量。

c)本发明提供的多台阶轴类锻件的锻造方法，由于之前已经对预制坯的端部进行了预制拔长，使得整个预制坯的尺寸更接近锻件的设计尺寸，从而能够保证预制坯两端弃料切除量。

d)本发明提供的多台阶轴类锻件的锻造方法，在冷却之后，通过返炉保温能够进一步地对预制坯的心部进行降温，使得预制坯心部温度降到900℃以下，同时，还能够适当升高预制坯的表面温度，使其能够从冷却后的550℃～600℃升至650℃～700℃，从而提高预制坯整体的温度均匀性。

e)本发明提供的多台阶轴类锻件的锻造方法，采用镦粗模对加热预制坯进行立式镦粗，镦粗盘能够对加热预制坯的端部进行束缚，使得端部的变形量较小，中间轴身发生镦粗变形，轴身直径变大，从而实现对加热预制坯的局部镦粗。

f)本发明提供的多台阶轴类锻件的锻造方法，上述加热预制坯的坯身镦粗后的直径与多台阶轴类锻件成品的轴身直径比大于1.5，锻比限定在上述范围内，在后续进行拔长的过程中，坯身能够具有足够的变形量，使得坯身能够达到动态再结晶的变形量，从而细化坯身的晶粒，获得较好的锻后组织，改善组织均匀性，为锻后热处理提供细化的初始晶粒；但是，坯身锻比不易过大，需要满足一火次完成锻造的要求。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体发明的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明提供的多台阶轴类锻件的锻造方法中镦粗盘与加热预制坯的配合示意图；

图2为采用本发明提供的多台阶轴类锻件的锻造方法制得的多台阶轴类锻件的结构示意图。

附图标记：

1-上镦粗盘；2-加热预制坯；3-下镦粗盘。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选发明，其中，附图构成本发明的一部分，并与本发明的发明一起用于阐释本发明的原理。

本发明提供了一种多台阶轴类锻件的锻造方法，包括如下步骤：

步骤1：对钢锭进行加热炉加热和在水压机上自由锻(即镦粗和拔长)得到预制坯，预制坯包括坯身(直段)以及坯身两端的端部，端部的直径小于坯身的直径，从而在端部和坯身之间形成台阶面，参见图1；

步骤2：预制坯依次进行冷却(例如，空冷)和返炉保温，使得预制坯的心部温度下降，得到返炉预制坯；

步骤3：对返炉预制坯进行高温加热保温，得到加热预制坯2；

步骤4：对加热预制坯2的坯身依次进行镦粗和拔长，也就是对加热预制坯2进行局部镦粗和局部拔长，形成轴身；

步骤5：对形成轴身后的预制坯进行端部拔长，形成多个直径不同的台阶轴，从而完成多台阶轴类锻件的锻造，参见图2。

需要说明的是，上述多台阶轴类锻件的锻造方法尤其适用于大截面多台阶轴类锻件的锻造，该大截面多台阶轴类锻件的轴身直径为1.5m以上，例如，1.5m～2.0m。

与现有技术相比，本发明提供的多台阶轴类锻件的锻造方法的目的是提高最大截面(即轴身)的变形量，相对减少其他台阶轴的单次变形量，从而实现锻件出成品时全部部位发生动态再结晶。

具体来说，在锻造过程中，对端部主要有两次拔长，第一次是在步骤1制备预制坯的过程中，通过制备预制坯，端部的直径小于坯身的直径，实现对端部预制拔长，第二次是在步骤5中，对端部相对于轴身进行拔长，形成多个直径不同的阶梯轴。相比于从坯身上直接拔长形成台阶轴，由于之前已经对端部进行了预制拔长，因此，第二次拔长尺寸能够明显减小，拔长时间缩短，温度降低不明显，裂纹出现的几率大大变小，有利于直径较小的台阶轴的表面质量控制。同时，上述多台阶轴类锻件的锻造方法，能够增加最大截面锻比并且在出成品工序完成最大截面的镦粗拔长确保锻比使晶粒细化，同时缩短轴径在出成品的拔长时间，提高出成品火次效率及锻件表面质量。

此外，由于之前已经对预制坯的端部进行了预制拔长，使得整个预制坯的尺寸更接近锻件的设计尺寸，从而能够保证预制坯两端弃料切除量。

需要说明的是，现有技术中，对于多台阶轴类锻件的轴身通常直接镦粗至最大截面，本发明提供的多台阶轴类锻件的锻造方法中，多台阶轴类锻件的轴身采用镦粗后拔长至最大截面，两者具有本质的区别。本发明采用出成品时先局部镦粗后拔长至最大截面，能够提高最大截面(即轴身)的变形量，从而实现锻件出成品时全部部位发生动态再结。

具体来说，对于预制坯的制备，上述步骤1包括如下步骤：

步骤11：对钢锭进行加热和多次镦拔(交替进行多次镦粗和拔长)，使得钢锭的心部压实，确保铸态组织破碎，有效锻合心部缺陷，得到圆柱形坯料；

步骤12：对圆柱形坯料进行加热和拔长，使得圆柱形坯料的中间部分直径变细，两端变细变长，得到预制坯。

为了进一步实现钢锭的心部压实，上述步骤11和步骤12中，加热温度为1230℃～1270℃(例如，1250℃)。

考虑到多台阶轴类锻件的直径较大，出成品时心部温度较高，产生晶粒粗大的问题，因此，上述步骤2中，冷却时间为5h～8h。这样，通过足够长的冷却时间，能够使得心部温度降低，避免心部温度过高，晶粒长大。但是，冷却时间不宜过长，这是因为，冷却时间过长容易导致预制坯的表面和心部的温差过大，造成预制坯的表面开裂。

值得注意的是，在保证预制坯表面不开裂的基础上进行冷却，无法实现预制坯心部的充分冷却，因此，为了保证预制坯整体的温度均匀性，进一步降低预制坯的心部温度以及适当升高预制坯的表面温度，上述步骤2中，返炉保温温度为650℃～700℃，返炉保温时间为20h以上(例如，24h～36h)。这样，在冷却之后，通过返炉保温能够进一步地对预制坯的心部进行降温，使得预制坯心部温度降到900℃以下，同时，还能够适当升高预制坯的表面温度，使其能够从冷却后的550℃～600℃升至650℃～700℃，从而提高预制坯整体的温度均匀性。

为了避免再次高温加热保温过程中，返炉预制坯的晶粒长大，上述步骤3中，加热温度为1150℃～1200℃，保温时间为8h～12h，高温保温时间根据预制坯外径进行设置，保温时间不能过长，确保心部温度不宜超过轴类锻件的晶粒急剧粗大温度。

需要说明的是，由于步骤1中已经在高温下对钢锭进行了预锻造，实现了心部压实，因此，步骤3中，可以采用相对较低的温度，从而能够减少晶粒粗大的问题。

为了实现对加热预制坯2的局部镦粗，上述步骤4中，采用镦粗模具对加热预制坯2的坯身进行镦粗，镦粗模具包括相对设置的两个镦粗盘，其中一个镦粗盘套设于加热预制坯2的一端，另一个镦粗盘套设于加热预制坯2的另一端，镦粗盘的内径与加热预制坯2的端部直径相匹配并带有1～3°斜度。采用上述镦粗模对加热预制坯2进行立式镦粗，镦粗盘能够对加热预制坯2的端部进行束缚，使得端部的变形量较小，中间轴身发生镦粗变形，轴身直径变大，从而实现对加热预制坯2的局部镦粗。

示例性地，镦粗盘包括上镦粗盘1和下镦粗盘3，上镦粗盘1套设于预制坯料的上端，下镦粗盘3套设于预制坯料的下端，上镦粗盘1的内径与加热预制坯2的上端直径相匹配，下镦粗盘3的内径与加热预制坯2的下端直径相匹配。

为了保证镦粗盘的机械强度，使其能够适应于加热预制坯2的局部镦粗，上述镦粗盘的材质为ZG5CrMnMo。

为了保证轴身能够发生动态再结晶，上述加热预制坯2的坯身镦粗后的直径与多台阶轴类锻件成品的轴身直径比大于1.5，即锻比大于1.5，锻比限定在上述范围内，在后续进行拔长的过程中，坯身能够具有足够的变形量，使得坯身能够达到动态再结晶的变形量，从而细化坯身的晶粒，获得较好的锻后组织，改善组织均匀性，为锻后热处理提供细化的初始晶粒；但是，坯身锻比不易过大，需要满足一火次完成锻造的要求。

同样地，对于每个台阶轴的加工，端部拔长前的直径与台阶轴成品的直径比大于1.5，即锻比大于1.5，锻比限定在上述范围内，同样能够满足台阶轴的动态再结晶变形量要求。

示例性地，上述步骤4中，对于拔长，采用上平下V砧的方式。

预制坯下料重量为锻件重量与火耗重量(是指每次加热过程中所产生的氧化皮量)之和。具体来说，首先计算出多台阶轴类锻件中各个台阶的重量，然后，在按照每火次(即每次加热)增加2wt.％的火耗，从而计算出预制坯的重量。

本发明还提供了一种多台阶轴类锻件，采用上述多台阶轴类锻件的锻造方法制得。

与现有技术相比，本发明提供的多台阶轴类锻件的有益效果与上述多台阶轴类锻件的锻造方法的有益效果基本相同，在此不一一赘述。

为了能够进一步了解本发明的内容、特点和效果，兹例举以下实施例，详细说明如下：

实施例一

本实施例的多台阶轴类锻件为联合循环发电机组用高中低压转子，包括轴身以及位于轴身两端的台阶轴，轴身其中一端的台阶轴包括三个不同直径的轴，分别为I、II和III，轴身包括三个不同直径的轴，分别为IV、V和VI，轴身另一端的台阶轴包括两个不同直径的台阶轴，分别为VII和VIII，参见图2，材质为25Cr2NiMo1V。

本实施例的多台阶轴类锻件的锻造方法，包括如下步骤：

来锭加热-倒棱、切水口-镦粗、拔长压实-预制坯-出成品(镦粗拔长轴身+拔长台阶轴)。

具体来说，首先，在加热炉中对钢锭进行加热至1250℃，在大型水压机上通过自由锻，对钢锭进行镦粗和拔长，锻出预制坯，预制坯包括坯身(直段)以及坯身两端的端部，端部的直径小于坯身的直径，从而在端部和坯身之间形成台阶面；接着，将预制坯冷却和返炉加热，冷却时间为5.5h，返炉加热温度控制在650℃，保温24h，使得预制坯心部温度降到900℃以下；然后，将预制坯进行高温加热保温，加热温度为1160℃，保温时间为10h；完成加热后预制坯出炉，将预制台阶轴坯料放入设计的上镦粗盘、下镦粗盘中进行局部镦粗，两端台阶受两端模具束缚变形较小，中间轴身发生镦粗变形，然后拔长轴身；轴身坯料包含最大截面台阶及其相近尺寸台阶，镦粗坯料的各台阶均能满足锻比，发生充分的动态再结晶，确保晶粒充分细化，最后，对形成轴身后的预制坯进行端部拔长，形成多个直径不同的台阶轴，从而完成多台阶轴类锻件的锻造。

对于预制坯下料准确度的控制，釆用反推法：首先计算出锻件各台阶的重量，然后再加每火次2wt.％的火耗，从而计算出预制坯的重量。然后再按轴身包含的台阶轴及两端轴径包含的台阶轴设计出预制坯。准确的预制坯和模具型腔合适的稍度，能够保证预制坯的轴径与上镦粗盘、下镦粗盘不抱模，同时，确保轴身镦粗效果。

实施例二

本实施例的多台阶轴类锻件为联合循环发电机组用高中低压转子，材质为25Cr2NiMo1V。

本实施例的多台阶轴类锻件的锻造方法，包括如下步骤：

来锭加热-倒棱、切水口-镦粗、拔长压实-预制坯-出成品(镦粗拔长轴身+拔长台阶轴)。

具体来说，首先，在加热炉中对钢锭进行加热至1270℃，在大型水压机上通过自由锻，对钢锭进行镦粗和拔长，锻出预制坯，预制坯包括坯身(直段)以及坯身两端的端部，端部的直径小于坯身的直径，从而在端部和坯身之间形成台阶面；接着，将预制坯冷却和返炉加热，冷却时间为8h，返炉加热温度控制在690℃，保温30h，使得预制坯心部温度降到900℃以下；然后，将预制坯进行高温加热保温，加热温度为1190℃，保温时间为12h；完成加热后预制坯出炉，将预制台阶轴坯料放入设计的上镦粗盘、下镦粗盘中进行局部镦粗，两端台阶受两端模具束缚变形较小，中间轴身发生镦粗变形，然后拔长轴身；轴身坯料包含最大截面台阶及其相近尺寸台阶，镦粗坯料的各台阶均能满足锻比，发生充分的动态再结晶，确保晶粒充分细化，最后，对形成轴身后的预制坯进行端部拔长，形成多个直径不同的台阶轴，从而完成多台阶轴类锻件的锻造。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多台阶轴类锻件的锻造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：对钢锭进行加热炉加热和自由锻，得到预制坯，所述预制坯包括坯身以及坯身两端的端部，端部的直径小于坯身的直径；

步骤2：预制坯依次进行冷却和返炉保温，得到返炉预制坯；

步骤3：对返炉预制坯进行加热保温，得到加热预制坯；

步骤4：对加热预制坯的坯身依次进行镦粗和拔长，形成轴身；

步骤5：对形成轴身后的预制坯进行端部拔长，形成多个直径不同的台阶轴，从而完成多台阶轴类锻件的锻造。

2.根据权利要求1所述的多台阶轴类锻件的锻造方法，其特征在于，所述锻造方法适用于大截面多台阶轴类锻件的锻造，所述大截面多台阶轴类锻件的轴身直径为1.5m以上。

3.根据权利要求1所述的多台阶轴类锻件的锻造方法，其特征在于，所述步骤1包括如下步骤：

步骤11：对钢锭进行加热和多次镦拔，得到圆柱形坯料；

步骤12：对圆柱形坯料进行加热和拔长，得到预制坯。

4.根据权利要求3所述的多台阶轴类锻件的锻造方法，其特征在于，所述步骤11和步骤12中，加热温度为1230℃～1270℃。

5.根据权利要求1所述的多台阶轴类锻件的锻造方法，其特征在于，所述步骤2中，完成预制坯拔长后空气冷却时间为5h～8h。

6.根据权利要求1所述的多台阶轴类锻件的锻造方法，其特征在于，所述步骤2中，返炉保温温度为650℃～700℃，返炉保温时间为20h以上。

7.根据权利要求1所述的多台阶轴类锻件的锻造方法，其特征在于，所述步骤3中，加热温度为1150℃～1200℃，保温时间为8h～12h。

8.根据权利要求1至7所述的多台阶轴类锻件的锻造方法，其特征在于，所述步骤4中，采用镦粗模具对加热预制坯的坯身进行镦粗，所述镦粗模具包括两个镦粗盘，其中一个镦粗盘套设于加热预制坯的一端，另一个镦粗盘套设于加热预制坯的另一端。

9.根据权利要求1至7任一项所述的多台阶轴类锻件的锻造方法，其特征在于，所述加热预制坯的坯身镦粗后的直径与多台阶轴类锻件成品的轴身直径比大于1.5。

10.一种多台阶轴类锻件，其特征在于，所述多台阶轴类锻件采用如权利要求1至9任一项所述的多台阶轴类锻件的锻造方法制得。

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