盾構機用H13E滾刀刀圈鍛造成形工藝研究

鄭祿鵬，李志瑤，何 冰，任永海

(貴陽安大宇航材料工程有限公司，貴州 貴陽 550000)

0 引言

盾構機在城市地鐵、鐵路公路交通、能源運輸、地下通道等重大工程中的應用日益廣泛，具有開挖速度快、施工質量高、勞動強度低、經濟環保等優點。國內盾構刀具產業經過近二十年的發展，在刀具材料、刀具集成制造等方面獲得重要的技術突破，目前基本實現了盾構刀具的國產化，并形成了一定產業化規模。

盾構機用滾刀刀圈最初一直采用的是模鍛成形的方式，但模鍛成形對鍛造設備、模具要求較高，鍛造工序復雜、鍛造火次多，導致生產效率不高且成本上升。我公司認為改變刀圈的鍛造成形方式是很有必要的。本文針對某型盾構機用滾刀刀圈，通過新舊鍛造工藝的對比研究，從設備、模具、工藝等方面對刀圈的生產進行了改變，最后通過預備熱處理(球化退火)制度研究，保證了用戶要求的交付狀態。

1 使用原材料介紹

H13E鋼是在國產4Cr5MoSiV1基礎上改進的一種全新特鋼，H13E鋼采用了較先進的生產工藝技術，鋼質純凈、組織均勻、偏析輕微、等向性好，具有更高的韌性及熱疲勞性能。

鍛件用原材料規格為Φ160 mm，冶煉方法為電爐+LF+VD+電渣重熔，并且經過均質化處理，化學成分如表1所示。

表1 生產用鋼的化學成分(wt%)

2 鍛造成形工藝研究

2.1 原成形工藝方案存在的問題

模鍛成形的方式對設備的要求較高，需使用專業的高精度模鍛設備。模鍛成形的方式，基本工序為制坯→模鍛成形→切邊→吹砂，鍛造火次在3～5火次，火次較多且成形后的工序繁雜，影響生產效率。模鍛成形不僅對設備要求高，同時對模具的精度要求也很高，導致模具的生產成本高、制作周期長，同時模具設計的復雜程度相較于普通的胎模也要大很多。

2.2 新成形工藝方案的研究

2.2.1 對加熱方案的確定

H13E鋼碳含量明顯比4Cr5MoSiV1高，而且合金元素含量高，導熱性差，共晶溫度又較低，易引起過燒。因此，加熱時要控制好爐溫，且加熱要緩慢均勻。[3]鍛造加熱溫度按1180 ℃控制，保溫時間按0.3～0.4 min/mm進行計算。裝爐時，爐溫要低于500 ℃，如果爐溫過高，坯料裝爐后，坯料表面與心部溫差大，容易造成內應力過大產生裂紋。嚴格控制始鍛溫度和終鍛溫度，當鍛造溫度降至850 ℃時必須停止鍛打，要返爐重新加熱，若低于850 ℃進行鍛造，鋼的變形抗力增大，強行打擊易產生裂紋。

2.2.2 新成形方案的確定

新的鍛造成形方案為軋制成形方法，基本工序為制坯→異形主輥軋制，鍛造火次降低至2火次完成。

在鍛造生產前，所有在鍛造過程中需要用到的工裝模具需要提前進行預熱，溫度在150～250 ℃為宜，目的在于防止溫度變化過大，造成模具損壞，以及因為模具溫度低，造成鍛件成形困難、粘模。所以，模具使用前的預熱非常重要。另外，鍛造時由于坯料棱角處溫度降低快，塑性降低使其變形抗力增大，易在棱角周圍產生裂紋，因此原材料坯料在下料后必須對端面尖角進行倒圓角。

為保證鍛件組織性能，坯料在鍛造時應先進行鐓粗，以增大變形量，鐓粗的變形量宜大于30%。以上兩種成形方法在鐓粗工序均一致，滿足了變形量大于30%的要求。鐓粗工序過后將坯料放入預熱好的制坯模具中進行壓制成型，坯料形狀如圖1所示。緊接著轉入沖孔模具中進行沖孔，坯料形狀如圖2所示，此過程火次控制在1火完成。模具在使用時可涂抹潤滑劑，以防止坯料與模具之間粘黏。

圖1 制坯后形狀 圖2 沖孔后形狀

鍛件的最終成形為碾環軋制成形，單獨1火完成，目的在于保證鍛件在軋制成形時有較好的塑性變形。鍛件的碾環軋制為異形軋制，需要主輥異形模具的配合(如圖3所示，主輥模具采用的是1輥2模的設計理念，一套模具可滿足2個尺寸不同圖號產品的生產，可謂一舉兩得，既滿足了生產需要又降低了公司成本)，通過環軋機與主輥模具將鍛件最終成型，鍛件的最終形狀如圖4所示。

圖3 主輥模具 圖4 軋制后刀圈形狀

與最初的模鍛成形方案相比，新的成形方案采用普通的鍛造設備即可實現生產，降低了鍛造設備的要求。通過成形方式的改變，降低了鍛造的火次，減少了工序，提高了生產效率，降低了成本。新的成形方式對模具的要求大幅降低，模具制造的成本隨之減少。

3 鍛后處理及冷卻方式

鍛造結束后，如果鍛件冷卻速度過快，鍛件的表面和心部產生的溫差大，由于鍛造后組織應力和溫度應力疊加，造成內應力過大而產生裂紋。所以，鍛造結束后不能直接放置在地面上空冷，要趁熱轉移進行緩冷[1]。

H13E鋼常規預備熱處理工藝為球化退火，目的是均勻組織、降低硬度、改善切削性能(圖5為經粗加工后的H13E滾刀刀圈)。由于合金元素的影響，H13E鋼本質上為過共析鋼，一般采用等溫球化退火。H13E鋼的球化退火工藝為：加熱至930 ℃保溫1 h+1.5 min/mm，以30 ℃/h爐冷至820 ℃保溫2 h+1.5 min/mm，以30 ℃/h隨爐冷至500 ℃以下出爐空冷，組織為球狀珠光體(見圖6)，硬度≤230 HB[2]。H13E鋼通過球化退火，能消除一次碳化物，改善偏析，使二次碳化物呈球狀均勻分布在鐵素體基體上，能顯著提高鋼的橫向沖擊韌性。

圖5 經粗加工后的H13E滾刀刀圈 圖6 H13E球化退火組織

4 結語

通過鍛造成形方法的比照研究，最終確定異形軋制成形方法為最優鍛造成形方法。在不增加生產成本的前提下既滿足了鍛件質量要求，又提高了鍛造生產效率。

該材料采用合適的鍛造溫度(1180～850 ℃)、較大的變形(≥30%)，鍛后進行緩冷，以及合適的預備熱處理(加熱至930 ℃保溫1 h+1.5 min/mm，以30 ℃/h爐冷至820 ℃保溫2 h+1.5 min/mm，以30 ℃/h隨爐冷至500 ℃以下出爐空冷)，可保證用戶鍛件交付技術要求。