護(hù)環(huán)熱成形短流程工藝的研究

禹興勝 田繼紅 何文武 郭會光

(1.中信重工機械股份有限公司重型鑄鍛廠，河南471039；2.太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

電力裝備的發(fā)展對電站大鍛件提出了巨大的需求，其中發(fā)電機轉(zhuǎn)子、護(hù)環(huán)更是緊缺產(chǎn)品。發(fā)電機護(hù)環(huán)是裝在轉(zhuǎn)子兩端固定線圈的重要大型零件，在強磁場中工作，要承受高速旋轉(zhuǎn)的巨大離心力，還承受動載裝配應(yīng)力、交變應(yīng)力、集中應(yīng)力以及應(yīng)力腐蝕的強烈作用，因而要求護(hù)環(huán)具有極高的強度、均勻的組織性能、良好的韌性、最小的殘余應(yīng)力、規(guī)定的導(dǎo)磁率和優(yōu)良的抗應(yīng)力腐蝕性能。

長期以來護(hù)環(huán)制造工藝過程主要包括：電爐煉鋼→電渣重熔→熱鍛制坯→固溶處理→粗加工→強化性能→消除應(yīng)力(穩(wěn)定尺寸)處理→質(zhì)量檢驗等環(huán)節(jié)。其中，熱鍛制坯一般在普通的自由鍛造壓力機上進(jìn)行。主要工序為：鋼錠開坯下料→鐓粗沖孔→芯棒擴孔→芯棒拔長→修正等。該工藝流程冗長，能源、勞動力消耗巨大，效率低下。

熱成形制坯不僅使護(hù)環(huán)成型，而且還是決定護(hù)環(huán)內(nèi)部微觀組織是否達(dá)標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。自由鍛雖然省力、簡便，但由于自由鍛為局部成形，變形分布不均勻、工序多、變形慢等原因造成護(hù)環(huán)鍛造過程中會產(chǎn)生鍛造開裂、鍛件內(nèi)部粗晶混晶等缺陷。同時由于自由鍛工藝流程長、可控性差、質(zhì)量效益難以提升，成為生產(chǎn)發(fā)展的制約因素。為了解決這一難題，本文對熱鍛過程進(jìn)行了研究。

1 熱變形模擬試驗

Mn18Cr18N鋼為我國當(dāng)前護(hù)環(huán)首選鋼種。對Mn18Cr18N鋼進(jìn)行熱拉伸、熱壓縮、熱變形再結(jié)晶等試驗可以測知鋼在熱成形時工藝塑性變化、高溫變形力學(xué)行為、熱成形再結(jié)晶組織結(jié)構(gòu)演變等。Mn18Cr18N鋼熱變形試驗結(jié)果如圖1～圖4所示。

圖1 Mn18Cr18N鋼熱拉伸性能變化Figure 1 Hot tensile properties of Mn18Cr18N steel

(a)1050 ℃塑性斷口(b)850 ℃脆性斷口圖2 熱拉伸宏觀斷口Figure 2 Macroscopic fracture for Hot tensile

圖3 熱壓縮應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系Figure 3 Stress-train relationship for hot compression

(a)動態(tài)(b) 靜態(tài)圖4 950℃再結(jié)晶組織Figure 4 Recrystallized microstructure at 950℃

通過高溫變形試驗可知，隨著熱成形溫度的提升，變形抗力下降，塑性上升，尤其在950℃左右變化比較明顯。當(dāng)溫度降低至900℃以下時，該鋼的變形抗力急劇增高，硬化明顯，塑性較低，鍛造過程難以進(jìn)行，比較容易發(fā)生開裂缺陷。

通過對該鋼種熱變形特性的研究分析，可以科學(xué)地確定最佳的鍛造溫度范圍。通過合理調(diào)配，控制變形溫度、變形速度、變形分布等熱力學(xué)因素，可以得到比較滿意的鍛造效果。試驗結(jié)果顯示，加速鍛造過程、合理調(diào)控?zé)崃?shù)，鍛件開裂會有所減少，內(nèi)部組織會得到相應(yīng)改善，能夠生產(chǎn)出合格的鍛件。但是由于自由鍛工藝流程較長，控制鍛造及冷卻難以準(zhǔn)確實現(xiàn)，鍛造質(zhì)量不夠穩(wěn)定，鍛造開裂時有發(fā)生，生產(chǎn)質(zhì)量和效率有待進(jìn)一步提高。

2 護(hù)環(huán)熱成形質(zhì)量攻關(guān)與新技術(shù)研發(fā)

為了防止鍛造缺陷，實施控制成形，縮短工藝流程，提高生產(chǎn)質(zhì)量與效率，研究開發(fā)了一些新的熱成形技術(shù)。

2.1 模內(nèi)沖擠、限制擴孔復(fù)合熱成形

該工藝是將自由鍛鐓粗、沖孔兩道工序改為在一套模具內(nèi)一步?jīng)_擠完成，如圖5所示。由于使用模具可以有效地規(guī)整制坯尺寸，減少裂紋缺陷，同時改變坯料成形時的應(yīng)力、變形狀態(tài)，控制金屬流動，因此可以提高壓實效果。

對于有較大內(nèi)孔的坯件還要經(jīng)模內(nèi)限制擴孔，如圖6所示。然而將自由鍛成形改為模內(nèi)成形時，變形力會大幅增加。為解決這個問題，又研發(fā)了模內(nèi)包套沖擠成形技術(shù)(圖7)及模內(nèi)限制包套分步擴擠成形技術(shù)(圖8)。該工藝中，因為坯料外加一個軟金屬包套，在成形時包套能起潤滑、保溫、防止坯料開裂破壞的作用，加上分步擴孔、控制金屬流動，達(dá)到了省力和變形均勻的目的。

與自由鍛制坯相比，該套工藝能夠比較好的控制成形的熱力學(xué)參數(shù)，同時改善成形過程中應(yīng)力變形狀態(tài)，有效地防止鍛造開裂破壞，提高組織性能的可控性。而采取分步?jīng)_孔、擴孔及包套沖擠等方法可以實現(xiàn)護(hù)環(huán)省力成形、復(fù)合成形，并且能使熱成形過程中護(hù)環(huán)的內(nèi)部組織得到優(yōu)化，成形質(zhì)量、效率得到一定的提高。

1—接桿 2—坯料 3—模套 4—沖頭5—底墊 6—芯料 7—墊環(huán)圖5 模內(nèi)沖擠成形Figure 5 Mold squeeze forming

1—接桿 2—坯料 3—模套 4—沖頭 5—墊環(huán)圖6 模內(nèi)限制擴孔Figure 6 Limited bearizing inside mold

1—接桿 2—坯料 3—包套 4—模套 5—沖頭6—底墊 7—芯料 8—墊環(huán)圖7 模內(nèi)包套沖擠成形Figure 7 Canning squeeze forming inside mold

1—擴擠沖頭 2—坯料 3—包套 4—模套5—擴擠沖頭 6—墊環(huán)圖8 模內(nèi)限制包套分步擴擠成形Figure 8 Limited canning step-by-step expand and extrusion process inside mold

2.2 鑄-鍛(軋)和脹-縮復(fù)合成形

所謂鑄-鍛(軋)復(fù)合成形是將鑄造、鍛壓或軋輾等壓力加工方法結(jié)合起來。比如用電渣熔鑄或離心澆注方法制成空心環(huán)坯，然后經(jīng)鍛壓擴孔或輾軋擴孔達(dá)到要求尺寸。而脹-縮復(fù)合成形則是將環(huán)形坯料經(jīng)脹形和縮頸兩道不同變形的工序，通過調(diào)控金屬流動，達(dá)到內(nèi)外均勻變形、環(huán)坯組織性能更合理的目的。復(fù)合成形的要點是將兩種或兩種以上工藝結(jié)合起來，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，取長補短，共同完成準(zhǔn)確成形與改善組織性能的雙重任務(wù)。

2.3 其他熱成形方法

護(hù)環(huán)熱成形方法還有很多，例如，對高度小、口徑大的環(huán)件，可以用軋輾法制坯；對直徑較小、生產(chǎn)批量大的環(huán)件，可以用擠筒切斷法制坯。對于要求原始強度高的護(hù)環(huán)，可以通過控制成形、控制冷卻的方法，最大限度的保留形變效果，提高坯料的初始強度，增加護(hù)環(huán)的最終強度，滿足性能要求。

實際生產(chǎn)中，應(yīng)依據(jù)產(chǎn)品需求并結(jié)合現(xiàn)實條件研發(fā)新技術(shù)。在應(yīng)用時一定要滿足不斷提高生產(chǎn)質(zhì)量和效益的要求。比如，用電渣熔鑄環(huán)筒成形的短流程工藝代替自由鍛制坯方法，對提高生產(chǎn)質(zhì)量、節(jié)能、提升工藝可控性都有良好的作用。目前已進(jìn)行了一些實驗研究工作，本著科學(xué)適用的原則，可以逐步予以實施應(yīng)用。

3 結(jié)論

護(hù)環(huán)熱成形短流程工藝的開發(fā)實現(xiàn)了護(hù)環(huán)的高效生產(chǎn)。未來應(yīng)在沿用工藝的基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化創(chuàng)新，研發(fā)先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)行優(yōu)質(zhì)高效的生產(chǎn)。

[1] JB/T 7030-2002.300MW～600MW汽輪發(fā)電機無磁性護(hù)環(huán)鍛件技術(shù)條件.

[2] 郭會光，等.制造高強鋼護(hù)環(huán)新工藝流程的研究.大型鑄鍛件，1996.

[3] 郭會光，等.制造大型汽輪發(fā)電機護(hù)環(huán)關(guān)鍵技術(shù)的研.鍛壓技術(shù)，1998年NO.3

[4] 郭會光，等.Mn18Cr18N護(hù)環(huán)鋼鍛壓工藝基礎(chǔ)研究.大型鑄鍛件，1998.

[5] 郭會光，等.大型護(hù)環(huán)熱成形新技術(shù)的開發(fā).機械工程學(xué)報，2005.

[6] Chen Huiqin etc. Simulation and prediction of Microstructure in Hot Forming of Metals.Trans Nonferrous Met. Soc China.2000.

[7] Guo.H.G etc. A study of simulation for The Large Forging projects-Qulity control Research of Retaing Rings.ICME,2000.

[8] 何文武.大型發(fā)電機護(hù)環(huán)超高壓液力脹形新技術(shù)研究.太原科技大學(xué)， 2006.

[9] Liu.J.S etc. Research and Development the Manufacturing Technology for Large Generator's Retaining Rings.2008.