護環熱成形短流程工藝的研究

禹興勝 田繼紅 何文武 郭會光

(1.中信重工機械股份有限公司重型鑄鍛廠，河南471039；2.太原科技大學材料科學與工程學院，山西030024)

電力裝備的發展對電站大鍛件提出了巨大的需求，其中發電機轉子、護環更是緊缺產品。發電機護環是裝在轉子兩端固定線圈的重要大型零件，在強磁場中工作，要承受高速旋轉的巨大離心力，還承受動載裝配應力、交變應力、集中應力以及應力腐蝕的強烈作用，因而要求護環具有極高的強度、均勻的組織性能、良好的韌性、最小的殘余應力、規定的導磁率和優良的抗應力腐蝕性能。

長期以來護環制造工藝過程主要包括：電爐煉鋼→電渣重熔→熱鍛制坯→固溶處理→粗加工→強化性能→消除應力(穩定尺寸)處理→質量檢驗等環節。其中，熱鍛制坯一般在普通的自由鍛造壓力機上進行。主要工序為：鋼錠開坯下料→鐓粗沖孔→芯棒擴孔→芯棒拔長→修正等。該工藝流程冗長，能源、勞動力消耗巨大，效率低下。

熱成形制坯不僅使護環成型，而且還是決定護環內部微觀組織是否達標的重要環節。自由鍛雖然省力、簡便，但由于自由鍛為局部成形，變形分布不均勻、工序多、變形慢等原因造成護環鍛造過程中會產生鍛造開裂、鍛件內部粗晶混晶等缺陷。同時由于自由鍛工藝流程長、可控性差、質量效益難以提升，成為生產發展的制約因素。為了解決這一難題，本文對熱鍛過程進行了研究。

1 熱變形模擬試驗

Mn18Cr18N鋼為我國當前護環首選鋼種。對Mn18Cr18N鋼進行熱拉伸、熱壓縮、熱變形再結晶等試驗可以測知鋼在熱成形時工藝塑性變化、高溫變形力學行為、熱成形再結晶組織結構演變等。Mn18Cr18N鋼熱變形試驗結果如圖1～圖4所示。

圖1 Mn18Cr18N鋼熱拉伸性能變化Figure 1 Hot tensile properties of Mn18Cr18N steel

(a)1050 ℃塑性斷口(b)850 ℃脆性斷口圖2 熱拉伸宏觀斷口Figure 2 Macroscopic fracture for Hot tensile

圖3 熱壓縮應力應變關系Figure 3 Stress-train relationship for hot compression

(a)動態(b) 靜態圖4 950℃再結晶組織Figure 4 Recrystallized microstructure at 950℃

通過高溫變形試驗可知，隨著熱成形溫度的提升，變形抗力下降，塑性上升，尤其在950℃左右變化比較明顯。當溫度降低至900℃以下時，該鋼的變形抗力急劇增高，硬化明顯，塑性較低，鍛造過程難以進行，比較容易發生開裂缺陷。

通過對該鋼種熱變形特性的研究分析，可以科學地確定最佳的鍛造溫度范圍。通過合理調配，控制變形溫度、變形速度、變形分布等熱力學因素，可以得到比較滿意的鍛造效果。試驗結果顯示，加速鍛造過程、合理調控熱力參數，鍛件開裂會有所減少，內部組織會得到相應改善，能夠生產出合格的鍛件。但是由于自由鍛工藝流程較長，控制鍛造及冷卻難以準確實現，鍛造質量不夠穩定，鍛造開裂時有發生，生產質量和效率有待進一步提高。

2 護環熱成形質量攻關與新技術研發

為了防止鍛造缺陷，實施控制成形，縮短工藝流程，提高生產質量與效率，研究開發了一些新的熱成形技術。

2.1 模內沖擠、限制擴孔復合熱成形

該工藝是將自由鍛鐓粗、沖孔兩道工序改為在一套模具內一步沖擠完成，如圖5所示。由于使用模具可以有效地規整制坯尺寸，減少裂紋缺陷，同時改變坯料成形時的應力、變形狀態，控制金屬流動，因此可以提高壓實效果。

對于有較大內孔的坯件還要經模內限制擴孔，如圖6所示。然而將自由鍛成形改為模內成形時，變形力會大幅增加。為解決這個問題，又研發了模內包套沖擠成形技術(圖7)及模內限制包套分步擴擠成形技術(圖8)。該工藝中，因為坯料外加一個軟金屬包套，在成形時包套能起潤滑、保溫、防止坯料開裂破壞的作用，加上分步擴孔、控制金屬流動，達到了省力和變形均勻的目的。

與自由鍛制坯相比，該套工藝能夠比較好的控制成形的熱力學參數，同時改善成形過程中應力變形狀態，有效地防止鍛造開裂破壞，提高組織性能的可控性。而采取分步沖孔、擴孔及包套沖擠等方法可以實現護環省力成形、復合成形，并且能使熱成形過程中護環的內部組織得到優化，成形質量、效率得到一定的提高。

1—接桿 2—坯料 3—模套 4—沖頭5—底墊 6—芯料 7—墊環圖5 模內沖擠成形Figure 5 Mold squeeze forming

1—接桿 2—坯料 3—模套 4—沖頭 5—墊環圖6 模內限制擴孔Figure 6 Limited bearizing inside mold

1—接桿 2—坯料 3—包套 4—模套 5—沖頭6—底墊 7—芯料 8—墊環圖7 模內包套沖擠成形Figure 7 Canning squeeze forming inside mold

1—擴擠沖頭 2—坯料 3—包套 4—模套5—擴擠沖頭 6—墊環圖8 模內限制包套分步擴擠成形Figure 8 Limited canning step-by-step expand and extrusion process inside mold

2.2 鑄-鍛(軋)和脹-縮復合成形

所謂鑄-鍛(軋)復合成形是將鑄造、鍛壓或軋輾等壓力加工方法結合起來。比如用電渣熔鑄或離心澆注方法制成空心環坯，然后經鍛壓擴孔或輾軋擴孔達到要求尺寸。而脹-縮復合成形則是將環形坯料經脹形和縮頸兩道不同變形的工序，通過調控金屬流動，達到內外均勻變形、環坯組織性能更合理的目的。復合成形的要點是將兩種或兩種以上工藝結合起來，充分發揮兩者的優勢，取長補短，共同完成準確成形與改善組織性能的雙重任務。

2.3 其他熱成形方法

護環熱成形方法還有很多，例如，對高度小、口徑大的環件，可以用軋輾法制坯；對直徑較小、生產批量大的環件，可以用擠筒切斷法制坯。對于要求原始強度高的護環，可以通過控制成形、控制冷卻的方法，最大限度的保留形變效果，提高坯料的初始強度，增加護環的最終強度，滿足性能要求。

實際生產中，應依據產品需求并結合現實條件研發新技術。在應用時一定要滿足不斷提高生產質量和效益的要求。比如，用電渣熔鑄環筒成形的短流程工藝代替自由鍛制坯方法，對提高生產質量、節能、提升工藝可控性都有良好的作用。目前已進行了一些實驗研究工作，本著科學適用的原則，可以逐步予以實施應用。

3 結論

護環熱成形短流程工藝的開發實現了護環的高效生產。未來應在沿用工藝的基礎上不斷優化創新，研發先進技術，進行優質高效的生產。

[1] JB/T 7030-2002.300MW～600MW汽輪發電機無磁性護環鍛件技術條件.

[2] 郭會光，等.制造高強鋼護環新工藝流程的研究.大型鑄鍛件，1996.

[3] 郭會光，等.制造大型汽輪發電機護環關鍵技術的研.鍛壓技術，1998年NO.3

[4] 郭會光，等.Mn18Cr18N護環鋼鍛壓工藝基礎研究.大型鑄鍛件，1998.

[5] 郭會光，等.大型護環熱成形新技術的開發.機械工程學報，2005.

[6] Chen Huiqin etc. Simulation and prediction of Microstructure in Hot Forming of Metals.Trans Nonferrous Met. Soc China.2000.

[7] Guo.H.G etc. A study of simulation for The Large Forging projects-Qulity control Research of Retaing Rings.ICME,2000.

[8] 何文武.大型發電機護環超高壓液力脹形新技術研究.太原科技大學， 2006.

[9] Liu.J.S etc. Research and Development the Manufacturing Technology for Large Generator's Retaining Rings.2008.