30Cr13多通閥鍛造工藝設計

文/孫建華·山東礦機集團萊蕪煤機有限公司

30Cr13多通閥鍛造工藝設計

文/孫建華·山東礦機集團萊蕪煤機有限公司

孫建華，總工程師，主要負責公司技術及質量管理方面的工作。曾主持公司重型模鍛車間總體設計、生產線布置、工程建設及設備安裝、調試等工作；多臺階法蘭輾環生產線技術改造項目的實施。

多通閥是煤礦采煤工作面頂板支護設備液壓支架的關鍵液壓元件，承擔液壓系統多通管路的配液連接，由于工作環境高溫濕熱，并且需要承擔的壓力比較大，掘進過程中產生的泥漿可導致產品嚴重銹蝕，從而縮短產品壽命，因此，產品的選材必須考慮耐蝕性及抗氧化性，同時鍛件的生產過程必須按產品工藝規程嚴格控制，保證產品質量。否則，產品在工作過程中一旦出現開裂、早期失效等質量問題，將造成嚴重安全事故，帶來不可估量的安全隱患和經濟損失。

鍛件優化設計

多通閥工作環境及強度要求非常高，選用30Cr13材質的圓鋼。該材料屬于高碳馬氏體不銹鋼，是一種非常理想的耐腐蝕、耐熱型結構材料，特別適合制作高溫濕熱條件的受力部件。但是，該種材料鍛造溫度范圍小，高溫變形抗力大、塑性差，鍛造難度大，冷卻過程中對冷卻速度敏感，鍛件容易產生裂紋等缺陷。

該鍛件采用模鍛工藝制造，重為60kg，鍛造工藝流程為，下料→加熱（天然氣加熱爐）→模鍛（10t模鍛錘）→切邊（1000t液壓切邊機）→冷卻及余熱退火。

多通閥鍛件的原始設計如圖1所示，在選擇坯料時，如果材料規格過大，鍛造過程中，103尺寸部位較窄，局部容易出現飛邊，由于飛邊變薄后降溫速度非常快，導致其變形抗力急劇增大，使上、下模很難閉合，結果造成圖1中的1部位頂部充不滿，鍛件難以成形。經過計算，選擇φ200mm規格的材料，這樣在鍛打過程中，可以保證鍛件型腔先大部分充滿，再出現飛邊，經驗證，效果很好。

由于30Cr13材料高溫時變形抗力大、塑性差，是鍛造難度較大的一種鋼材。因此鍛件設計時，局部難以充滿部位的過渡鍛造圓角和拔模斜度要適當加大。鍛件原設計結果造成1、2、3部位充不滿，2部位還產生折疊現象。

為此經過工藝優化，將1部位兩側面的拔模斜度由5°改為10°，鍛造圓角R由5mm改為20mm；2部位拔模斜度由5°改為10°，鍛造圓角R由5mm改為15mm；3部位拔模斜度由5°改為30°，鍛造圓角R由5mm改為15mm；4部位兩側的鍛造圓角R由5mm改為15mm；5部位四周鍛造圓角R由5mm改為20mm，如圖2所示。改進后，經過試驗，以上部位填充情況良好，且無折疊等鍛造缺陷出現。

鍛造過程控制

下料

由于鍛造圓鋼表面缺陷較多，下料前要仔細檢查圓鋼表面質量，發現裂紋或折疊缺陷，及時清理打磨干凈后方可下料。下料過程中由于該材料在鋸切的過程中粘齒嚴重，應盡量減小鋸片進給量，同時降低鋸切速度，防止鋸片跑斜、鋸切面表面粗糙或斜度太大。坯料轉入下道工序之前，必須經過嚴格的表面探傷，確保鋼材表面無裂紋缺陷后，方可轉入下道工序。

加熱規范制定

坯料的加熱設備為天然氣加熱爐，爐溫采用電腦控制。高碳馬氏體不銹鋼的一般始鍛溫度為1150℃，終鍛溫度為925℃。但是為了得到細晶粒組織，終鍛溫度可比規定溫度降低50～80℃，同時考慮到儀表測量誤差及其他因素，確定如下加熱規范：始鍛溫度1100℃，終鍛溫度900℃。加熱時，室溫裝爐，采用分段加熱，在爐膛低溫區緩慢加熱到900℃，保溫時間按0.6～0.8min/mm確定，然后推到高溫區快速加熱到始鍛溫度，保溫時間按0.3～0.8min/mm確定。

鍛造及切邊

鍛造設備采用10t全液壓模鍛錘，鍛造前，模鍛型腔表面要進行拋光處理，鍛模預熱到150～300℃，防止毛坯接觸模具表面時溫差過大，造成冷卻速度過快，而產生裂紋。

圖1 鍛件原始設計圖

圖2 改進后的鍛件設計圖

圖3 熱處理工藝曲線

鍛造時要掌握好錘擊力量，力量太小，由于該材質高溫塑性差，造成成形時間長，坯料冷卻，鍛件不能及時成形，局部難成形部位充不滿；錘擊力量太大，可能產生裂紋而造成廢品的產生。為了鍛件及時快速成形，鍛造時鍛模采用石墨乳潤滑劑，噴涂石墨時要均勻，產生霧狀，防止局部集中噴涂，產生積液。另外，鍛打時嚴格控制終鍛溫度，當溫度低于終鍛溫度時，必須要回爐重新加熱到終鍛溫度。

終鍛結束后，在1000t液壓切邊機上進行切邊。切邊時，切邊模具預熱到150～300℃，防止飛邊與切邊模刃口接觸部位快速冷卻、產生裂紋，從而造成鍛件報廢。

鍛后冷卻及余熱退火

由于30Cr13對冷卻速度非常敏感，所以鍛件在鍛后冷卻時，一定要嚴格控制冷卻速度，否則會產生裂紋，一般采用坑冷、灰冷或爐冷。為了既保證鍛件達到冷卻效果，又能節省能源，采用隨爐冷卻到400℃后利用鍛件余熱退火。

鍛件切邊結束后，要及時趁熱裝爐。400℃保溫1.5h，然后升溫到650℃保溫1.5h，升溫到900℃保溫2h后，隨爐冷卻到600℃保溫2h，隨后出爐空冷，熱處理工藝曲線如圖3所示。

按照上述工藝進行試制及生產驗證，經檢查尺寸符合鍛件圖設計要求。退火硬度經檢測在207～255HB之間，滿足鍛件熱處理后的硬度要求。鍛件內部質量經過UT檢測，無裂紋缺陷，完全達到產品質量要求。

結束語

通過對30Cr13材質生產的多通閥鍛件進行優化設計、鍛造工藝、加熱工藝、冷卻工藝，及鍛后熱處理工藝的合理制定，并經過反復試制，終于解決了該產品模鍛件鍛造難度大，產品容易開裂這一難題。

多通閥鍛件鍛造難度大，質量要求高，要保證穩定的產品質量，必須制定好合理的鍛造工藝和嚴格的過程控制體系，重點注意以下6個環節：

⑴必須要保證原材料的質量，經過表面探傷無裂紋缺陷的材料方可投入生產。

⑵加熱時一定要分段緩慢加熱，嚴格控制加熱速度，防止加熱速度過快，坯料內部和表面溫差過大造成坯料開裂。

⑶設計鍛件圖時，難成形的部位拔模斜度和圓角要加大。否則，局部難以充滿，還會出現折疊。

⑷嚴格控制鍛件冷卻速度，防止鍛件因冷卻速度過快而產生裂紋，造成鍛件報廢。

⑸鍛后必須要及時對鍛件進行退火，防止產生裂紋。

⑹鍛件UT探傷合格后，方可使用。