QD型橋式起重機鍛件產品開發

文/任文·太原重工股份有限公司鑄鍛件分公司

張軍峰，王明哲·太原重型機械集團有限公司

QD型橋式起重機為三峽電站配套產品，型號為QD型1300/160t橋式起重機和QD型500/32/10t橋式起重機兩種，此類型起重機本批鍛件批次大、數量多，共64種324件，鍛件服役于起重機的起升裝置、制動裝置等重要區域，材質涉及7種合金鋼和碳鋼，零件技術要求高，需制定多種工藝滿足技術協議和質量大綱要求，駐廠監造工程師驗收極為嚴格。

主要開發內容

產品主要技術參數及指標

QD型橋式起重機鍛件產品制造需滿足JB/T 5000-2007和TZS/K 717.1～15-2015標準要求。原材料化學成分見表1。

表1 原材料化學成分(%)

⑴化學成分允許偏差按GB/T 222-2006標準規定。

⑵ [H]≤2ppm、[O]≤35ppm、[N]≤70ppm。其他所有殘余合金元素總量≤1.00%。

⑶原材料彎曲試驗檢測和驗收執行GB/T 232-2010，出具每冶煉爐號的檢測報告。

⑷普通鍛件總鍛造比不小于4.0，起升類鍛件總鍛造比不小于4.5。

⑸鍛件粗加工后，按照圖紙技術要求進行預備熱處理和性能熱處理，硬度和性能驗收指標按TZS/K 717.4-2015和TZS/K 717.7-2015進行驗收。

⑹鍛件超聲波探傷檢測符合TZS/K 717.4-2015的所有要求。

⑺監理工程師見證項目。原材料化學成分和彎曲試驗檢測、鍛件最終熱處理后硬度檢測、力學性能試棒的取樣、力學性能檢測過程、超聲波探傷檢測等。

開發設計方案

⑴鍛件工藝流程為技術準備→原材料采購→原材料彎曲試驗檢測和化學成分檢測→鍛造→粗加工→正火+回火/調質處理→超聲波探傷→硬度檢測→力學性能檢測→檢測報告全部合格后交貨。

⑵技術準備。深刻學習研究TZS/K 717-2015標準和用戶質量大綱要求，制定三峽產品專用鍛造、粗加工、熱處理工藝，工藝由監理人員進行審核。

⑶原材料化學成分檢測。實際投產原材料的化學成分中，不僅所有元素都在標準要求內，而且P、S、Cu、[H]等有害元素的含量都遠低于標準要求。原材料彎曲試驗檢測。嚴格按《GB/T 232-2010 金屬材料 彎曲試驗方法》標準執行。首先選取部分材料經熱處理和粗加工后進行試驗性檢測，檢測合格并通過監理工程師認可后再大批量進行檢測。經溝通確認，彎曲試樣尺寸定為L=260mm、b=38mm、a=25mm，試驗設備SBW-600彎曲試驗機，部分檢測結果見表2。

⑷鍛造控制。為保證鍛件質量和各項性能指標滿足要求，根據零件實際情況制定鍛造工藝，選擇合理的鍛造比，確保鍛件致密度。對34CrNi3Mo、65Mn等鍛造工藝性能較差的軸類鍛件，為了防止鍛件開裂，要求使用上平下V形砧鍛造。

嚴格控制始、終鍛溫度，并用手持式測溫儀現場測溫，發現溫度低于終鍛溫度的鍛件應及時入爐。在生產中為了得到細晶粒組織，終鍛或者精整工序等一般要取比始鍛溫度低50℃到100℃。

⑸鍛件粗加工及改進。普通起重機產品執行TZS/K 717.4-2015標準，要求以性能檢測為主，硬度檢測作為參考，且硬度檢測工序在最終熱處理后精加工前進行。但根據QD型橋式起重機鍛件產品技術協議和質量大綱要求，要同時保證鍛件力學性能合格和精加工后表面硬度合格，這對粗加工余量余塊把控提出了較高要求。尤其是對于車輪軸、偏心軸等特殊零件，這類零件不僅臺階多，而且材質多為淬透性差的碳鋼，鍛件粗加工余量、余塊過大，會造成精加工后的表面硬度降低過多；我們還要考慮超聲波探傷的因素，起重機鍛件尺寸較小，粗加工不能一味的把零件臺階全部車出來，不僅要給探頭留檢測空間，還要避免出現探傷盲區；對于臺階落差尺寸特別大的零件，熱處理后大直徑臺階的硬度要比小直徑臺階的硬度低。

以車輪軸為例，材質為45鋼，屬于主動車輪軸，連接車輪體、軸承等零部件，本零件臺階多且臺階落差較大，舊工藝特點是工藝簡單、已照顧到主要受力面、粗加工和探傷工序容易執行、調質處理不易變形、生產周期短。但是缺點是部分區域余量大，精加工后硬度明顯降低。

針對舊工藝的缺點，經過與熱處理和理化試驗人員的溝通，在保證不影響超聲波探傷和熱處理變形小的前提下，進行了改進：加工出部分落差較大（單邊臺階落差大于10mm）的臺階，為保證超聲波探傷無盲區，臺階長度不得小于30mm，且過渡圓角不能太大；小臺階處的熱處理余量略多于大直徑臺階處熱處理余量，保證精加工后硬度均勻。改進方案已交與監造工程師審核并通過。

新粗加工工藝較好解決了精加工后硬度降低和不均勻的問題，尋找出熱處理變形和保證熱處理性能的平衡點，而且還不影響超聲波探傷工序，保證了產品質量，但也造成了生產周期變長、超聲波探傷工作量變大等問題。鍛件粗加工后實物見圖1。

圖1 鍛件粗加工圖

⑹鍛件熱處理及改進。在粗加工工藝改進之后，為保證鍛件精加工后表面硬度，熱處理工藝也要相應改進，尤其是淬透性差的碳鋼。我們跟蹤研究了普通起重機鍛件，在正常工藝調質處理后硬度檢測合格，但鍛件在精加工后，表面硬度下降了10～30HBW，雖仍符合標準要求，但處于標準下限，較容易出現局部不合格的情況。針對上述問題，我們要相應修改熱處理工藝，在滿足力學性能的前提下，要求鍛件表面硬度在標準要求的中上限范圍，在硬度下限范圍即不合格。對于具體工藝，調質處理中的回火溫度比標準降低10～20℃；正火處理的空冷工序必須吊下臺車，并用鼓風機風吹。所有鍛件熱處理裝爐嚴格按照裝爐規定執行，必須保證鍛件之間間隙。

另外因鍛件臺階較多，一定要減小熱處理變形的情況，裝爐時注意裝盤墊平，避免火焰直接噴到鍛件上，且防止出現開裂、磕碰等缺陷。熱處理后，檢測變形量及加工余量，確保產品合格。以45鋼車輪軸、滑輪軸鍛件為例，調質工藝如圖2所示。以45鋼滑輪軸鍛件為例，正火+回火工藝如圖3所示。

圖2 45鋼車輪軸、滑輪軸鍛件的調質工藝

圖3 45鋼滑輪軸鍛件正火+回火工藝

尺寸檢測合格后進行分廠內部先進行力學性能檢測和硬度檢測，自檢合格后再通知監理工程師見證，監理工程師見證取樣、力學性能檢測工序，取樣和制樣工序嚴格按照TZS/K 717.3-2015標準執行，尤其是取樣位置。理化鑒定中心對選取試樣進行檢測，部分性能結果見表3。

表3 部分力學性能檢測結果

經改進后的熱處理工藝不僅性能滿足標準要求，精加工后硬度也符合標準要求。在超聲波探傷完畢后順利完成交貨。

項目關鍵技術

⑴材料控制。經過研究分析，為保證鍛件質量和試驗成功率，原材料的冶煉方法采用電爐+精煉+真空脫氣，嚴格控制原材料的化學成分、氣體檢測情況。

⑵鍛造。保證鍛件致密度、變形均勻性和優秀的表面質量，為后續熱處理和探傷提供良好基礎。

⑶粗加工。改進后的粗加工工藝，較好解決了精加工后硬度降低和不均勻的問題，尋找出熱處理變形和保證熱處理性能的平衡點，而且還不影響超聲波探傷工序。

⑷熱處理。在保證力學性能合格的前提下，改進熱處理參數，適當提高鍛件表面硬度，使得鍛件在精加工后硬度仍符合標準。

結束語

QD型橋式起重機鍛件的開發成功，保證了鍛件各項指標符合圖紙要求，鍛件質量穩定可靠，為進一步拓展新型起重機鍛件產品市場提供有力的經驗數據和參考價值。但是我們認為目前的認識和理解還不夠深刻，還有需要改進和完善的內容。本批鍛件種類多材質雜，同種類鍛件件數少，為確保產品的合格率，不能批量同時進行加熱、鍛造和熱處理工序，而且還要專門特殊制定粗加工和熱處理工藝，相比一般起重機鍛件生產成本大、生產周期長，這是我們今后繼續需要提高的地方。