主軸鍛造工藝改進(jìn)

文/王旭穎，胡運寶，彭彩霞，李宏柏·太原重工股份有限公司

主軸類產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于冶金、石化、化工、風(fēng)洞試驗、電站、制藥等領(lǐng)域，市場需求量很大，材料主要為25CrNiMoV。我公司在生產(chǎn)制造過程中，還存在探傷報廢和探傷臨界評審的問題，滿足不了用戶需求。為了解決探傷缺陷超標(biāo)和處于臨界的問題，我公司對該類產(chǎn)品進(jìn)行了鍛造工藝改進(jìn)。

技術(shù)要求

工藝流程

主軸產(chǎn)品鍛件生產(chǎn)工藝流程見圖1。

化學(xué)成分

鋼錠冶煉時要求電爐冶煉+真空除氣鋼錠，具體化學(xué)成分見表1。

表1 鋼錠冶煉的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

超聲波探傷要求

超聲波檢測方法按JB/T 1581-2014執(zhí)行，軸承部位及傳動端按表2驗收，其余部位符合JB/T 1267-2014標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 軸承部位及傳動端的驗收標(biāo)準(zhǔn)

鍛造要求

鋼錠的上、下端應(yīng)有足夠的切除量，以保證鍛件無縮孔和嚴(yán)重的偏析。應(yīng)在壓力足夠的壓機上鍛造，使鍛件整個截面充分地鍛透。應(yīng)盡可能保持鍛件的軸線與鋼錠的軸心線重合。將鋼錠質(zhì)量較好端作為鍛件的傳動端。

前期生產(chǎn)狀況

探傷存在問題

2019年下半年我公司共生產(chǎn)20件主軸產(chǎn)品，其中2件產(chǎn)品探傷出現(xiàn)問題，探傷報告均顯示在鍛件傳動端有缺陷，對應(yīng)的鋼錠部位為鋼錠質(zhì)量較好的底部端。出現(xiàn)探傷報廢對公司造成的影響很被動。我公司對出現(xiàn)問題的兩件進(jìn)行了理化分析，電鏡掃描結(jié)果均顯示為Al2O3夾雜，為脫氧產(chǎn)物、底部端沉積錐和澆注過程中耐火材料沖刷綜合導(dǎo)致。

原鍛造工藝

第一火：鋼錠壓鉗把→倒棱→壓圓→切底；第二火：鋼錠鐓粗→壓圓；第三火：鋼錠→鐓粗→壓圓→號印→鍛制要求尺寸。鍛后熱處理曲線如圖2所示。

圖2 鍛后熱處理曲線

數(shù)值模擬研究

運用鍛造數(shù)值模擬軟件Forge對轉(zhuǎn)子鐓粗、拔長過程反復(fù)計算，得到了最優(yōu)鍛造工藝參數(shù)。圖3是鐓粗過程模擬，鐓粗過程中用球形頂鐓帽對鋼錠進(jìn)行鐓粗。鐓粗變形率達(dá)到40%時，心部的等效應(yīng)變已達(dá)到1.5，最小等效應(yīng)變達(dá)到0.6，這就說明鐓粗變形率達(dá)到40%時，鍛件內(nèi)部變形大，鋼錠中的原始鑄造組織得到一定程度的破壞，鋼錠中的疏松組織得到壓實，鋼錠中的偏析得到一定程度改變。

圖3 鐓粗過程模擬

采用WHF法對鍛件進(jìn)行拔長過程的反復(fù)模擬研究，當(dāng)拔長壓下率在20%～25%時，發(fā)現(xiàn)在第三道次以后拔長過程中，用1300mm寬的上下平砧能使鍛件在拔長過程中砧寬比W/H控制在0.85～1.06之間，拔長變形過程中不出現(xiàn)軸向拉應(yīng)力。對于拔長過程中鍛件截面變化，料寬比B/H控制在0.85～1.18之間，拔長變形過程中不出現(xiàn)橫向拉應(yīng)力。圖4是拔長過程的模擬，圖5是第三道次拔長過程中鍛件心部應(yīng)力應(yīng)變隨著壓下量的變化曲線，從圖5可以看出，鍛件心部在X、Y、Z方向上的應(yīng)力均為壓應(yīng)力，并且等效應(yīng)變隨著壓下量的增大而增大。也就是說，鍛件內(nèi)部受三向壓應(yīng)力，沒有拉應(yīng)力，這就說明鍛件在拔長過程中沒有裂紋產(chǎn)生，在內(nèi)部良好的應(yīng)力狀態(tài)下，鍛件內(nèi)部原始的缺陷，諸如鍛件內(nèi)部的A型偏析、V型偏析、疏松、氣泡能在鍛造過程中得到很大程度上消除。

圖4 拔長過程模擬

圖5 拔長過程應(yīng)力應(yīng)變曲線

鍛造工藝改進(jìn)

為解決主軸傳動端探傷問題，我公司技術(shù)部門及生產(chǎn)部門深入討論分析，鋼液中Al2O3質(zhì)點半徑小，容易懸浮在鋼液中不上浮，鍛造上采取了以下措施：

⑴調(diào)整鍛造工藝，第一火將鋼錠底部端底錐切除，第二火鐓粗壓圓后，剁掉鋼錠底部端的2.5%，再進(jìn)行后續(xù)的鍛造工序，如圖6所示。

圖6 主軸二次切底圖片

⑵根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，調(diào)整壓下量，兩次鐓粗后采用WHF寬砧強壓，每道次壓下量由原來的15%調(diào)整為20%～25%，充分將夾雜物打散。

⑶調(diào)整加熱工藝，兩次鐓粗大變形時將加熱時間和加熱溫度調(diào)高(大變形加熱溫度由1200℃調(diào)高到1230℃)，進(jìn)行高溫擴散，使成分和組織盡可能均勻。成形階段加熱時間縮短，采用短、頻、快加熱方式。

⑷調(diào)整鍛后熱處理工藝，延長過冷時間。

⑸將切除部分的底部及冒口部分料頭稱重，確認(rèn)是否符合鍛造工藝要求。

統(tǒng)計結(jié)果

主軸鍛造工藝改進(jìn)后，自2020年1月初至2020年10月底，我公司共生產(chǎn)30件該類主軸產(chǎn)品，均未發(fā)現(xiàn)探傷超標(biāo)缺陷，部分產(chǎn)品已全工序完成合格交貨，得到了用戶的好評。

結(jié)束語

我公司生產(chǎn)的25CrNiMoV材質(zhì)的主軸類產(chǎn)品，通過二次切底調(diào)整大變形過程的壓下量，提高大變形時的加熱溫度，增加高溫擴散時間，延長鍛后冷卻的過冷時間方式得到了探傷合格的主軸產(chǎn)品，并已形成標(biāo)準(zhǔn)工藝。