低溫鋼LF2多向模鍛件性能分析

文／馬文昌·二十二冶集團精密鍛造有限公司

宋佳男·中國鍛壓協會

低溫鋼LF2多向模鍛件性能分析

文／馬文昌·二十二冶集團精密鍛造有限公司

宋佳男·中國鍛壓協會

馬文昌，碩士，主要從事多向模鍛工藝及配套生產線的設計、開發工作，主持、參與了二十二冶集團精密鍛造有限公司40MN、120MN多向模鍛生產線的設計、建設、生產工作，在三通閥體多向模鍛成形及模具設計方面有豐富經驗。

多向模鍛技術又稱多柱塞模鍛，是20世紀50年代美國Cameron公司提出、實現的鍛造技術。多向模鍛在合模過程中對毛坯進行鐓鍛，隨后沖頭自不同方向對毛坯進行擠壓，一火一次獲得無毛邊、很小的多分支或有內腔的鍛件。該鍛造工藝因具有變形均勻、鍛件機械性能好、成形精度高等優點，而獲得廣泛關注。

本文以LF2低溫鋼鍛制的止回閥閥體為對象，通過與模鍛件的對比分析，著重研究多向模鍛件的機械性能、金相組織，以拓展多向模鍛件在低溫領域內的應用和發展。

LF2止回閥閥體鍛件成形工藝

LF2為美國ASTM A350-2007《需切口韌性試驗的管道部件用碳鋼和低合金鋼鍛件》標準規定的牌號，試驗所用材料的化學成分經測定符合標準要求。

多向模鍛成形工藝

LF2止回閥閥體鍛件簡圖如圖1所示。圖1中虛線為零件輪廓圖，A、B、C、D、E分別代表垂直穿孔直徑、垂直穿孔深度、水平穿孔深度、水平穿孔直徑及分模面以上高度。

采用多向模鍛工藝一次成形，多向模鍛件實物如圖2所示。

圖1 多向模鍛件簡圖

模鍛工藝

采用模鍛鍛造工藝流程為制坯→預鍛→終鍛→切邊，鍛件簡圖如圖3所示。

圖2 多向模鍛件

圖3 模鍛件簡圖

模鍛件切邊后，鉆孔獲得水平孔及垂直孔，模鍛件實物如圖4所示。

圖4 模鍛件

熱處理及取樣

多向模鍛件和模鍛件在鍛后統一采用正火+淬火+回火的熱處理工藝，熱處理工藝曲線如圖5所示。

兩種鍛造方式生產的止回閥閥體鍛件取樣位置相同，具體位置如圖6所示。圖中I、II處為拉伸試驗取樣位置；1、2、3、4處為沖擊試驗取樣位置；A、B、C、D處為金相檢驗取樣位置。

圖5 熱處理工藝曲線

圖6 取樣位置

力學性能對比

多向模鍛件與模鍛件均要求低溫沖擊性能，試驗溫度為-50℃，多向模鍛件與模鍛件的低溫沖擊功如表1所示。兩種鍛造方式生產的止回閥閥體鍛件拉伸力學性能，如表2所示。

由表1、表2對比可知，兩種鍛造方式生產的止回閥閥體鍛件拉伸力學性能基本相同，但沖擊性能差異較大。其中取樣位置3處的沖擊功兩者基本相同，取樣位置1、2、4處多向模鍛件的沖擊功是普通模鍛件的2～3倍。

表1 多向模鍛件與模鍛件的低溫沖擊功 (單位：J)

表2 多向模鍛件與模鍛件產品拉伸力學性能對比

查閱多向模鍛相關資料，了解到多向模鍛件金屬流線如圖7所示。不難發現，取樣位置1、2、4處是平行于金屬纖維流線取樣，取樣位置3處是垂直于金屬纖維流線取樣。可證實采用多向模鍛工藝成形時形成的連續金屬纖維流線非常有助于提高材料的低溫沖擊性能，因此當采用多向模鍛成形工藝時，應考慮鍛件承載面的金屬流向。

圖7 多向模鍛件金屬流線

金相組織研究

鍛前金相組織

多向模鍛工藝所用坯料為φ160mm的軋坯棒材，分別對原坯料縱向、橫向截面金相組織及中頻爐加熱后的鍛前組織進行觀察，觀察結果如表3所示。原坯料中縱向截面存在較嚴重的帶狀組織，經評級，帶狀組織為4～5級，也有少量魏氏組織，評級為1級；坯料經中頻爐加熱后存在嚴重的魏氏組織，評級為最高級5級。坯料在中頻爐中溫度可達1150℃，因LF2鋼含Mn量約1%，Mn有促進晶粒長大的作用，因此在高溫下保溫一段時間后會形成粗大晶粒，在隨后的冷卻過程中易形成粗大的魏氏組織。

表3 鍛前金相組織

鍛后金相組織

鍛后金相組織如表4所示，主要有以下特征：

⑴鍛后魏氏組織改善，但位置C處仍較為嚴重，評級為2級。

⑵帶狀組織未完全消除，位置D處(鍛件上孔底部）較為嚴重。

⑶鍛件組織不均勻。晶粒不均勻，有混晶現象；帶狀組織分布不均勻。

結合多向模鍛工藝的特點，分析產生以上現象主要是因為多向模鍛成形時，多個沖頭先后擠壓成形，造成各部位始鍛溫度、終鍛溫度不同，各部位的變形量也不相同，進而影響到鍛件組織。

熱處理鍛件金相組織

鍛件熱處理后金相組織如表5所示，位置A略有帶狀傾向，其組織為回火索氏體組織；位置B晶粒均勻，無明顯缺陷；位置C仍有粗大晶粒且伴隨魏氏組織；位置D仍然是回火后的帶狀組織。位置C處存在組織缺陷，也是造成低溫沖擊性能偏低的主要原因之一。

通過對金相組織的觀察，可以得出以下結論：

⑴多向模鍛件金相組織不均勻是受到鍛造溫度、變形量等因素的影響。

⑵帶狀組織經多向模鍛鍛造成形、熱處理等工序后有效改善，但無法根除。

⑶粗大晶粒和魏氏組織的產生，會對鋼的機械性能產生影響，特別是對沖擊性能產生明顯的影響。

⑷LF2鍛件鍛后冷卻過程易形成魏氏組織，正火工藝可有效改善魏氏組織。

表4 鍛后金相組織

表5 熱處理鍛件金相組織

結論

通過對多向模鍛件和普通模鍛件的力學性能對比和對多向模鍛件的鍛造前后的金相檢驗，可得出以下結論：

⑴采用多向模鍛工藝生產的鍛件可滿足鍛件各項性能指標要求。

⑵采用多向模鍛工藝形成的連續金屬纖維流線可顯著提高材料低溫態的沖擊韌性，提高幅度可達2～3倍，因此多向模鍛成形工藝應考慮鍛件承載面的金屬流向。

⑶采用多向模鍛工藝成形的鍛件存在金相組織不均勻問題，主要受鍛造溫度、變形量等因素影響。

⑷用于多向模鍛的原坯料，尤其是后續熱處理無法改善組織的材料，要做好金相組織準備，避免帶狀組織等缺陷。

⑸粗大晶粒和魏氏組織的產生，是造成多向模鍛件低溫沖擊性能偏低的主要原因之一。