閥箱的鍛造新工藝

文/李偉陽·寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司研究院工藝材料研究所

閥箱的鍛造新工藝

文/李偉陽·寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司研究院工藝材料研究所

閥箱是寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司為東北某公司長期配套生產(chǎn)的一種采油裝置產(chǎn)品。整個(gè)采油裝置是由閥箱及一些配件組成的，外協(xié)加工合同規(guī)定成品需進(jìn)行高壓滲漏壓力試驗(yàn)及滿足一定的力學(xué)性能。所以閥箱的質(zhì)量要求很高，閥箱外形簡單，靠切削加工來保證。而其內(nèi)在質(zhì)量依靠熱加工來保證，鍛件質(zhì)量的高低必將影響閥箱的質(zhì)量。閥箱鍛件的鍛造是保證采油裝置質(zhì)量的關(guān)鍵工序，鍛造的目的不僅是為了獲得一定形狀的鍛件，更重要的是通過鍛造熱變形擊碎鋼錠的鑄態(tài)粗晶、樹枝狀結(jié)構(gòu)及晶界物質(zhì)，鍛合鋼錠內(nèi)部的孔隙，以達(dá)到提高力學(xué)性能的目的。鍛件的質(zhì)量對閥箱的質(zhì)量影響很大。

前些年，我們的閥箱鍛件出現(xiàn)過裂紋、白點(diǎn)以及內(nèi)部殘留鑄造樹枝晶的現(xiàn)象。針對這些鍛造缺陷，我們經(jīng)過分析研究，改進(jìn)工藝，避免了這些鍛造缺陷的出現(xiàn)，圖1為寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司生產(chǎn)的閥箱零件簡單示意圖。

鍛造缺陷分析

裂紋

裂紋是鍛件生產(chǎn)中常見的缺陷。在鍛前加熱、鍛造過程及鍛后冷卻都有可能產(chǎn)生。我們在各個(gè)環(huán)節(jié)都采取相應(yīng)的措施。制訂加熱規(guī)范，加熱時(shí)保證充分均勻熱透，以防止鍛造時(shí)發(fā)生不均勻變形。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在鋼錠底部要墊一塊立磚，以保證鋼錠底部受熱均勻，不允許冷熱鋼錠同時(shí)加熱。在寒冷的冬季，要提前一個(gè)班將所需鋼錠提前放在爐門口烘烤，至少烘烤3h以上，才能進(jìn)爐加熱。適當(dāng)提高鍛造溫度，將終鍛溫度上調(diào)50℃，完善變形工步，制訂鍛后冷卻規(guī)范，都可以有效地防止裂紋的產(chǎn)生。

白點(diǎn)

白點(diǎn)是鍛件在冷卻過程中產(chǎn)生的一種內(nèi)部缺陷，是鋼中氫和組織應(yīng)力共同作用的結(jié)果，沒有一定數(shù)量的氫和較顯著的組織應(yīng)力，白點(diǎn)是不能形成的。

圖1 閥箱零件簡單示意圖

鋼中的氫來源于煉鋼時(shí)鋼液中的氫，在鋼液凝固時(shí)來不及溢出到鋼錠表面，而存在于鋼錠內(nèi)部。壓力加工之前加熱時(shí)，氫又溶于鋼中，壓力加工后的冷卻過程中由于奧氏體分解和溫度降低，氫在鋼中溶解度減少，氫原子從固溶體中析出到鋼坯內(nèi)部的一些顯微空隙處。氫原子在這里將結(jié)合成分子狀態(tài)，并具有一定的應(yīng)力。當(dāng)鍛件在冷卻過程中因相變而造成的組織應(yīng)力，在一定條件下可達(dá)到相當(dāng)大的數(shù)值。由于組織應(yīng)力及氫析出所造成的內(nèi)應(yīng)力的共同作用，使鋼發(fā)生脆性破裂，由此而形成白點(diǎn)。

鍛件由于經(jīng)過壓力加工，組織更加致密，內(nèi)部空隙焊合，所以氫析出時(shí)會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的壓力。要防止鍛件白點(diǎn)的產(chǎn)生，首先是從熔煉工藝著手，使鋼中氫含量盡量減少（酸性爐要好于堿性爐）。如果煉鋼不能有效的控制氫含量在2ppm以下，則鍛造后必須采取合理的方法去控制氫含量，決不允許將鍛件直接冷卻到室溫。

對于鍛造來講關(guān)鍵是要制定合理的鍛后冷卻規(guī)范。鍛件冷卻熱處理規(guī)范是根據(jù)鍛件的化學(xué)成分、截面形狀、尺寸要求，考慮白點(diǎn)的敏感程度而制定的。在實(shí)際生產(chǎn)中由于各廠的煉鋼、鑄錠等條件不同，即使同一鍛件尺寸同一鋼號，各種冷卻熱處理規(guī)范也會(huì)略有不同。

圖2 等溫退火曲線

圖3 起伏等溫退火冷卻規(guī)范

圖4 閥箱鍛件圖

大鍛件鍛后冷卻熱處理的目的：首先是降低鋼中氫含量，減少組織應(yīng)力，防止白點(diǎn)產(chǎn)生。其次是細(xì)化、勻化晶粒，降低硬度，消除組織相變應(yīng)力、變形殘余應(yīng)力及冷卻溫度應(yīng)力，改善加工性能。消除白點(diǎn)的原則是在盡量減少各種應(yīng)力的條件下，在氫擴(kuò)散速度快的溫度區(qū)保溫，使氫能從鋼中充分?jǐn)U散，具體方法是采用等溫退火。氫有兩個(gè)擴(kuò)散速度快的溫度區(qū)，600～660℃、280～320℃。

在600～660℃長時(shí)間保溫，進(jìn)行等溫退火時(shí)，由于保溫時(shí)間長，使得奧氏體充分分解的同時(shí)又使中心的氫盡量向表面擴(kuò)散。該溫度下鋼的塑性較好，同時(shí)溫度應(yīng)力，相變應(yīng)力較小，比較安全，但時(shí)間較長。在280～320℃等溫退火時(shí)相變應(yīng)力和溫度應(yīng)力較大，對于大鍛件如果控制不好，極易產(chǎn)生裂紋，但能充分除氫。閥箱的材質(zhì)為含鉻鎳合金鋼，根據(jù)截面尺寸及對白點(diǎn)的敏感程度，閥箱鍛后一開始采用如圖2的等溫退火曲線，進(jìn)行鍛后去氫處理。

經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐證明，在鋼錠質(zhì)量不穩(wěn)定的情況下，仍有部分出現(xiàn)白點(diǎn)。確定采用如圖3的起伏等溫退火冷卻規(guī)范進(jìn)行鍛后去氫處理。寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司所有閥箱一直采用此起伏等溫退火曲線冷卻，經(jīng)取樣分析和生產(chǎn)實(shí)際驗(yàn)證未發(fā)現(xiàn)有白點(diǎn)出現(xiàn)。

鑄造樹枝晶

閥箱鍛件所用的原材料，是采用寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司自已生產(chǎn)的鑄造鋼錠。鋼錠規(guī)格為23"鋼錠。質(zhì)量3t。切除水口、冒口共0.88t后，下料2.12t。鋼錠利用率為70.7％。閥箱鍛件圖如圖4 所示。

閥箱的原工藝過程為鋼錠加熱后，在鍛造設(shè)備上進(jìn)行鍛造：

⑴壓鉗口倒棱為φ500mm；

⑵切除水口、冒口共0.88t；

⑶鐓粗外徑為φ750mm；

⑷拔長為520mm×480mm的矩形截面；

⑸整形符合圖4閥箱鍛件圖的尺寸。

根據(jù)《大型合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件 技術(shù)條件》（JB/T 6396-2006）中的要求：每個(gè)鋼錠的水口、冒口應(yīng)有足夠的切除量來保證鍛件無縮孔和嚴(yán)重的偏析。鍛件應(yīng)在有足夠能力的鍛壓機(jī)上成形，以保證鍛件內(nèi)部充分鍛透。鋼錠利用率和鍛造比均未量化，公司鍛件通用技術(shù)條件規(guī)定鋼錠利用率為小于75％，鋼錠利用率滿足要求。

寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司最大的鍛造設(shè)備為5t自由鍛錘，經(jīng)過電液錘改造實(shí)為6t，我們的閥箱鍛件是近似方塊，方塊的自由鍛鍛造能力為方截面邊長不大于450mm。由于閥箱截面為520mm×480mm兩邊均大于方截面邊長，可見鍛造設(shè)備能力不足。我們必須改變工藝方法來滿足鍛造設(shè)備能力。在鋼錠倒棱下料后先進(jìn)行1次拔長，然后鐓粗。由于閥箱需要各向同性，不希望產(chǎn)生鍛造纖維流線。所以，規(guī)定鐓粗后改變方向，以鐓粗后的直徑方向?yàn)?次拔長方向。

錘砧上下用平砧，以半砧送進(jìn)量、全負(fù)荷重?fù)艨齑虬伍L鍛件。拔長為450mm×450mm的截面，滿足鍛造設(shè)備能力的要求，將料鍛透。在滿足鍛造設(shè)備能力的要求前提下加大鍛造比，確保將鋼錠鑄造組織完全改變?yōu)殄懺旖M織。本方法適合于中型鍛造企業(yè)，用于擁有5t自由鍛錘的企業(yè)。對于擁有大型壓力機(jī)的企業(yè)，本文不適用。

具體鍛造工藝

⑴鋼錠按圖5規(guī)范進(jìn)行加熱，在鋼錠底部必須要墊起一塊立磚。

⑵鋼錠倒棱、壓鉗口，倒棱φ500mm。

⑶下料：由于閥箱整好用一個(gè)鋼錠的料，所以切除水口及冒口就是下料。按規(guī)定切除水口及冒口0.88t。氧氣切割熱下料，在倒棱鋼錠還有可見光譜時(shí)進(jìn)行。

⑷加熱：直接進(jìn)爐，1180℃保溫3h后出爐鍛造。

圖5 鋼錠加熱規(guī)范

⑸拔長：為了進(jìn)一步焊合倒棱鋼錠表面皮下鑄造缺陷，防止鐓粗產(chǎn)生裂紋，拔長到1500mm。此過程變形在表面，不計(jì)鍛比。

⑹鐓粗：鐓粗到600mm，鍛造比為2.5。

⑺加熱：直接進(jìn)爐，1180℃保溫2.5h后出爐鍛造。

⑻改變軸線方向鍛造，以鐓粗后的直徑方向?yàn)榘伍L方向，送進(jìn)量采用半砧送進(jìn)量，以設(shè)備最大能力重?fù)艨齑虬伍L鍛件。拔到截面為450mm×450mm，鍛造比為2.2。

⑼按工藝要求修整鍛件，按照圖4閥箱鍛件圖的尺寸。由于工人的技術(shù)水平不一樣，有可能增加一火次。

⑽閥箱鍛后要立即進(jìn)退火爐，按圖3起伏等溫退火曲線進(jìn)行冷卻。

⑾正火。

⑿試棒在最終熱處理后，線切割取下，送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行力學(xué)性能的分析。

結(jié)束語

采用全新的鍛造工藝后閥箱再?zèng)]有發(fā)現(xiàn)鍛造缺陷，經(jīng)隨后的壓力試驗(yàn)及無損探傷檢驗(yàn)，產(chǎn)品完全合格。閥箱試樣經(jīng)取樣做力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果完全符合要求。閥箱已經(jīng)成為寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司的拳頭產(chǎn)品，出口美國、中東阿拉伯等國家。

李偉陽，高級工程師，從事于鍛壓工藝、工裝設(shè)計(jì)，中國鍛壓協(xié)會(huì)鍛造專家。