A350 LF2大型筒體鍛造工藝

張曉芳 馬建平 劉宏斌

(中冶陜壓重工設備有限公司，陜西711711)

1 技術要求

A350 LF2筒體鍛件是我廠目前承制的內徑?1 640 mm級別筒體中長度最長、重量最大的筒體鍛件。該筒體粗加工交貨尺寸為?2 260 mm/?1 640 mm×3 490 mm，重52.59 t。材質為ASTM A350 LF2，屬于低溫鍛鋼[1]，具有良好的塑性，但鍛造上存在以下難點：

(1)鍛件重量大，達73.4 t，是我廠80 MN油壓機投產以來鍛造的最重鍛件，選用110 t鋼錠，同時也達到我廠所生產鋼錠的最大規格；

(2)鍛件內孔達?1540 mm，長度達3 830 mm，是我廠有史以來從未生產過的最大的空心鍛件，其尺寸如圖1所示；

(3)化學成分(熔煉分析)要求符合表1規

圖1 A350 LF2鍛件圖Figure 1 The forging drawing for heavy shell of A350 LF2 steel

定；

(4)探傷級別要求嚴，應滿足表2規定；

(5)力學性能(T×T/2取樣、-46℃AKV)要求高，應符合表3要求。

表1 ASTM A350LF2鋼的化學成分(熔煉分析)要求(質量分數，%)Table 1 The heat analysis requirement for ASTM A350LF2 steel(mass fraction, %)

注：熔煉分析中，Cu+Ni+Cr+Mo≤1.00%；Cr+Mo≤0.32%。

表2 鍛件探傷要求Table 2 The nondestructive flaw detection requirement for forgings

表3 鍛件力學性能要求Table 3 The mechanical property requirement for forgings

2 工藝流程

A350 LF2大型筒體鍛件的試制工藝流程為：熱運鋼錠驗收→鋼錠加熱→壓鉗口、倒棱→鐓粗→拔長、下料→鐓粗→沖孔→芯棒拔長→擴孔→鍛后熱處理→粗加工→探傷→力學性能試驗。

3 鍛造

3.1 變形工藝編制及改進

A350 LF2大型筒體鍛件所用設備及工裝均達到了目前我車間能力的極限。為滿足該筒體鍛件嚴格的力學性能和探傷要求，同時考慮到其薄壁空心，鋼錠心部缺陷易于去除，故采用了110 t雙真空短粗型鋼錠。

在鍛造工藝制定過程中，為保證A350 LF2筒體鍛件整個截面鍛透，以確保鍛件組織均勻，其總鍛造比應≥5，鐓粗比要求≥2.5。在編制該筒體鍛造工藝時，制定總鍛比為7.4，鐓粗比為3.8，其鍛造工序如表4所示。

表4 A350 LF2筒體鍛件的鍛造工序Table 4 The forging process for heavy shell of A350 LF2 steel

在試制第一支A350 LF2筒體鍛件時，按照表4鍛造變形工序操作出現了如下問題：

(1)第Ⅱ火次中，鐓粗工序比較困難。鐓粗至高度約1 900 mm時，出現鐓不動現象，沒有達到預計的高度，最終該鐓粗工序進行了兩火次。主要原因：由于件大導致初次操作慢，鐓粗時鋼錠表面溫度降低嚴重，造成鐓粗所需要的鐓粗力增大；錠坯在鐓粗前的加熱保溫時間可能不足。

(2)第Ⅳ火次(即實際鍛造過程中的第五火次)中，鍛坯經拔長、略擴孔退出芯棒后，其兩端面出現“花邊”。主要原因：拔長過程中，壓下量及翻轉角度控制不均勻，但由于表面溫度已降至終鍛溫度以下，無法進行平整兩端面工序，導致鍛件最終兩端面出現“花邊”[2]。

(3)第Ⅵ火次(即實際操作中的第七火次)中，擴孔工序采用W=800 mm的上平砧，嚴格控制翻轉角度≤20°[3]，初期擴孔按順壓方式(先擴冒口端一圈，然后沿錠身方向向水口端錯砧擴孔)走完“一趟”時，出現輕微的喇叭口。在后繼道次中，立即換為先擴兩端后擴中間的順序[4]。雖然在一定程度上避免了最終的“喇叭口”，但其修整操作過程比較困難。另外，鍛件最終的表面質量比較差，鍛件外表面在縱向疊砧處有不同程度的小凹坑，其中有兩處凹坑較深，勉強滿足零件的最終尺寸要求。主要原因：采用的砧子截面較窄，造成疊砧處較多且疊砧量較小所致，在操作中沒有對表面缺陷處進行及時吹氧清傷或清傷不徹底。

生產第二支A350 LF2筒體鍛件時，在第Ⅱ、Ⅲ火次鐓粗工序前的加熱工序中適當延長了坯料在鍛造溫度下的保溫時間，同時由于準備工作很完善，縮短了鋼錠從出爐到鐓粗之間的操作時間，坯料在規定火次鐓至預定高度；第Ⅳ火次，沖孔后對鍛件兩端面進行吹氧清傷；第Ⅴ火次，芯棒拔長前對坯料進行了端面平整；第Ⅵ火次，在套芯棒擴孔前進行了平整兩端面工序，擴孔時采用W=1 700 mm的上縱向砧，按先擴兩端后擴中間的擴孔順序擴孔。

結果表明：第二支A350 LF2 筒體鍛件表面質量良好，鍛件外表面平整，沒有明顯的折傷及凹坑；兩端面質量也得到較好的改善；內孔兩端面沒有出現“喇叭”狀。

3.2 鍛后熱處理

為細化晶粒，改善A350 LF2大型筒體的最終力學性能和筒體在鍛造過程中的鍛造塑性，采用了圖2所示的正回火工藝，以保證充分完成奧氏體向珠光體+鐵素體的轉變，減少偏析。

4 檢驗

4.1 化學成分分析

ASTM A350 LF2鋼錠的化學成分(熔煉分析)見表5。

4.2 探傷

A350 LF2大型筒體鍛件粗加工后逐件按ITN 02151Ⅱ級鍛件要求進行超聲波檢測，均未發現靈敏度為?3 mm以上缺陷。

4.3 力學性能

圖2 A350 LF2大型筒體的鍛后正回火工藝曲線Figure 2 The normalizing and tempering curve for heavy shell of A350 LF2 steel after forging

表5 ASTM A350 LF2鋼錠的化學成分(熔煉分析)(質量分數，%)Table 5 The heat analysis for ASTM A350 LF2 ingot(mass fraction, %)

ASTM A350 LF2筒體不同熱處理狀態下的力學性能見表6。由表6可知：第一支筒體經鍛后熱處理，其抗拉強度為480 MPa，略低于指標值下限；其屈服強度、延伸率及端面收縮率均滿足指標要求；沖擊值不穩定，其中一項沖擊值偏低，勉強滿足指標要求。第一支筒體及第二支筒體經鍛后熱處理后再經調質處理，其綜合力學性能良好，各項性能指標均滿足要求。綜合可見，該材質的大型筒體鍛件經鍛后正回火熱處理，其塑性良好，但強度及沖擊性能偏低，經過調質熱處理后可以確保滿足客戶要求的較高的力學性能要求。

4.4 金相

第一支ASTM A350 LF2筒體鍛后熱處理的金相組織如圖3所示。由圖3可知，該筒體經大變形后晶粒細小均勻，平均晶粒度在5μm～10μm范圍內(如圖3a所示)。其微觀組織為細珠光體+鐵素體+少量的粒狀碳化物(如圖3b所示)。這種微觀組織表明鍛造工藝比較合理，同時決定了該鍛件塑性良好，但是要保證較高的抗拉強度須進行調質處理。該材質正常的調質組織為：索氏體+少量的鐵素體+極少量的碳化物，這樣才能保證必要的力學性能要求。

表6 ASTM A350 LF2大型筒體鍛件力學性能Table 6 The mechanical property of heavy shell forgings of ASTM A350 LF2 steel

圖3 第一支ASTM A350 LF2筒體鍛后熱處理狀態金相圖Figure 3 The microphotograph of the first shell of ASTM A350 LF2 steel under heat treatment after forging

5 結論

(1)對于大型鍛件的鍛造加熱工序，尤其是鐓粗工序前坯料的加熱應該嚴格控制，以保證鋼錠內部偏析等缺陷得到一定程度的改善，同時保證鍛件心部熱透，保證鐓粗工序的順利進行。

(2)大鍛件在鍛造過程中，出現的表面缺陷應及時進行表面清傷處理，以防缺陷擴展，影響鍛件質量。

(3)大型筒體鍛件的擴孔工序應采用縱向砧并注意疊砧量，以防產生表面折傷，影響鍛件的最終表面質量。

(4)大型筒體鍛件的鍛造生產過程中，應注意平整筒體兩端面，避免造成鍛件兩端出現“花邊”，提高鍛件最終表面質量，同時也提高了鍛件的材料利用率。

(5)ASTM A350 LF2材質的大型筒體鍛件經變形量較大的鍛造及鍛后熱處理后，需進行調質處理以滿足其較高的力學性能要求。

[1] ASTM A350/A350M—2004a版.需切口韌性試驗的管道部件用碳鋼和低合金鋼鍛件標準規范.

[2] 柳永宏，陳國昌.大型長筒鍛造經驗[J].大型鑄鍛件，1998(2)：25-26.

[3] 陳迎亮，馬慶賢.大型筒體鍛造工藝參數特性模擬研究[J].塑性工程學報，2007(14).

[3] 鄭敏興，韓麗潔.筒體鍛件成型方法的研究[J].一重技術，2002(1).