鍛造行業(yè)的節(jié)能降耗
——工藝技術(shù)篇

文/周永南，成功，于成發(fā)·南京汽車鍛造有限公司

鍛造行業(yè)的節(jié)能降耗
——工藝技術(shù)篇

文/周永南，成功，于成發(fā)·南京汽車鍛造有限公司

鍛造行業(yè)傳統(tǒng)上屬于高耗能行業(yè)，能源成本通常占變動成本的20％左右。隨著國際市場能源價格的不斷上漲，企業(yè)能源成本比重會繼續(xù)上升；另一方面，由于我國的單位產(chǎn)值能耗與先進國家相比差距很大，國家對節(jié)能工作的政策導(dǎo)向?qū)⒉粩鄰娀?。?jié)能工作將直接影響鍛造企業(yè)的競爭能力。國內(nèi)的鍛造企業(yè)能源利用水平高低不一，因此改進的余地很大。

近年來，南汽鍛造面對激烈的市場競爭，在節(jié)能減排上加大投入，研究開發(fā)新技術(shù)新工藝，加強節(jié)能管理，為企業(yè)降低制造成本發(fā)揮了重要作用。

工藝技術(shù)進步對于節(jié)能減排至關(guān)重要

通常，大部分鍛件，特別是模鍛件都必須經(jīng)過熱處理，以達到鍛件的加工性能或者使用性能要求，熱處理工序的能耗占到鍛件整個能耗的30％～35％，降低熱處理能耗成為熱處理工藝設(shè)計的重要內(nèi)容。熱鍛工序完成后鍛件仍有1000℃左右的余熱，為后續(xù)的熱處理提供了可利用的空間。鍛后余熱用于熱處理，不僅可以大大降低熱處理能耗，還可以縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率，減少設(shè)備投資，是一項重要的節(jié)能途徑。

余熱熱處理的應(yīng)用

利用鍛件鍛后的剩余熱量完成所需的熱處理，如余熱淬火、余熱等溫及余熱正火等，是一種大量節(jié)約能源的有效途徑。

⑴余熱淬火。余熱淬火處理的鍛件不僅具有優(yōu)良的綜合機械性能，并且有工序短，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。南汽鍛造于20世紀70年代就在70發(fā)動機連桿鍛件上應(yīng)用此技術(shù)。近年來，作為中國最大的鏈軌節(jié)鍛件生產(chǎn)者，在鏈軌節(jié)鍛件上廣泛采用余熱淬火工藝，在實際應(yīng)用中取得了顯著成果。

圖1所示的鍛件是為美國一家知名企業(yè)配套制造的鏈軌節(jié)，年需求約一千萬件。

圖1鏈軌節(jié)鍛件

該鍛件的材料屬于中碳含硼鋼，原生產(chǎn)工藝為：下料→中頻加熱→鍛造→切邊沖孔→再加熱→淬火→回火。

經(jīng)過大量試驗，分別對中頻加熱節(jié)拍、溫度、始鍛和終鍛溫度，鍛后停留時間，淬火溫度、介質(zhì)濃度和溫度等各項因素對淬火質(zhì)量的影響，搜集了大量數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，制定了一套合理的工藝規(guī)范，用于大規(guī)模生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量完全符合客戶的要求。新工藝為：

下料→中頻加熱→鍛造→切邊沖孔→淬火→回火，取消了原工藝中的再加熱工序，省卻了這部分的耗能。

迄今已經(jīng)用該工藝生產(chǎn)了兩千余萬件產(chǎn)品。該項目的成功，每年可減少電能消耗1000萬千瓦時，生產(chǎn)流程更趨合理，生產(chǎn)周期從15天縮短到4天左右，生產(chǎn)效率提升了20％以上。原計劃投資4條熱處理調(diào)質(zhì)爐生產(chǎn)線，改為添置4條淬火油槽和4臺回火爐，節(jié)約60％的投資額。取得良好的綜合效益。

⑵余熱正火。就汽車等速傳動軸內(nèi)星輪鍛件余熱正火工藝為例。該產(chǎn)品材質(zhì)為含碳量0.53％的碳鋼，產(chǎn)品最終熱處理為滲碳淬火，為了保證良好的切削性能，鍛后要進行正火工序。該鍛件產(chǎn)量大，生產(chǎn)節(jié)奏快。用于正火的能耗很高。由于正火溫度較高，氧化嚴重，氧化皮的噴丸清理時間也比較長。我們對該產(chǎn)品進行了余熱正火的工藝改進，鍛后產(chǎn)品快速冷卻到500℃，完成奧氏體轉(zhuǎn)變，再進爐加熱完成正火，如圖3所示。這樣，可以部分利用鍛后余熱，增強了生產(chǎn)連續(xù)性。

圖3余熱等溫曲線

非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用

非調(diào)質(zhì)鋼也叫微合金鋼，是一種將鍛造與熱處理結(jié)合為一體的新型節(jié)能結(jié)構(gòu)材料，通過鍛后控溫冷卻的方式得到與調(diào)質(zhì)（淬火+高溫回火）工序相近的材料機械性能。其是伴隨國際上能源短缺而發(fā)展起來的一種高效節(jié)能鋼，廣泛用于裝備制造業(yè)。在汽車工業(yè)中，非調(diào)質(zhì)鋼因具備一系列優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。南汽鍛造從80年代末即開始開發(fā)非調(diào)質(zhì)鋼鍛件，最先在130系列的萬向節(jié)叉和套管叉等傳動軸叉類鍛件上應(yīng)用，并批量裝車，性能完全滿足設(shè)計要求。隨后全面應(yīng)用于YL3W-4683-AA萬向節(jié)叉鍛件上，年產(chǎn)突破100萬件，并出口美國福特公司。非調(diào)質(zhì)鋼的大量使用，節(jié)省了大量的熱處理能耗，避免了熱處理開裂變形等質(zhì)量風(fēng)險，此外，非調(diào)質(zhì)鋼通過提高S含量，改善了切削性能，為后續(xù)工序節(jié)約了加工費用。

近年來，非調(diào)質(zhì)鋼節(jié)能的優(yōu)點為越來越多的業(yè)內(nèi)廠家所認識，我國的非調(diào)質(zhì)鋼發(fā)展進入快速通道，針對不同的使用要求研發(fā)出數(shù)十個鋼種，在實際推廣應(yīng)用中，成本問題是阻礙非調(diào)質(zhì)鋼普及的一個主要因素。由于非調(diào)質(zhì)鋼的價格相對較高，單純從鍛造行業(yè)來計算效益有時未必合算。比如，用非調(diào)鋼取代調(diào)質(zhì)45號鋼，非調(diào)鋼與45號鋼的材料差價超過了45號鋼調(diào)質(zhì)費用。如果從產(chǎn)品整個價值過程來看，非調(diào)質(zhì)鋼減少了調(diào)質(zhì)工序，可以減少人工費用，減少污染排放，減少內(nèi)部轉(zhuǎn)運成本，減少熱處理缺陷損失，減少機加工刀具消耗等。這樣綜合比較更加符合實際。

冷鍛溫鍛技術(shù)的應(yīng)用

圖4非調(diào)質(zhì)鋼控溫冷卻線

冷鍛工藝在汽車零件的生產(chǎn)上得到大量應(yīng)用，國內(nèi)的使用也越來越廣泛，冷鍛工藝適用于中小型鍛件的大批量生產(chǎn)，不僅鍛件的外觀形狀得到改善，節(jié)能效果也比較顯著。

⑴汽車變速箱輸出軸的冷擠壓工藝。該產(chǎn)品如圖5所示。設(shè)計采用三道冷擠壓成形，材料逐次變形，最終成形。該產(chǎn)品材質(zhì)為16MnCr5G，鍛造生產(chǎn)工序為：鋸床下料→車外圓→退火→噴丸→磷皂化→三次擠壓。

圖5冷擠壓二軸鍛件圖

在第一道擠壓完工后，可以連續(xù)進行后續(xù)兩道擠壓而無需再次皂化。冷擠壓的第二軸鍛件，外表美觀，尺寸精度高，加工余量小，質(zhì)量穩(wěn)定，比熱鍛件更受客戶的歡迎。

⑵汽車半軸套管冷擠壓縮徑。該產(chǎn)品用于依維柯廂式貨車的后橋，是由無縫鋼管一端縮徑而成的變徑管產(chǎn)品，要求在縮徑時截面過渡段的壁厚還需增厚。原工藝是用無縫鋼管兩次鍛造縮徑成形。第一次變形是在模具內(nèi)頂鍛成鼓狀，使縮徑過渡處的壁厚增加，然后第二次加熱再縮徑，兩次加熱使用同一臺燃油爐。我們把依維柯汽車半軸套管的成形工藝改成了冷擠壓，該產(chǎn)品的材料為25MnCr無縫鋼管，擠壓前無需進行退火,單件產(chǎn)品的能耗僅為改進前的1/2，能源成本大大下降。

冷鍛鍛件的材料選擇范圍有限，有些材料需要經(jīng)退火處理，影響能耗，應(yīng)綜合考慮。對于批量較大的中小鍛件，冷鍛工藝仍然是一個節(jié)能降耗的先進工藝。

⑶溫鍛工藝在汽車傳動軸零件上的應(yīng)用。等速萬向節(jié)上的鐘形罩鍛件需求量大，鍛造方式有熱鍛、鐓鍛和溫鍛。圖6是其中一種。由于內(nèi)腔分布有球道，球道最終通過冷擠壓成形而無需機械加工，工藝選擇了溫鍛+冷擠壓。坯料加熱到900℃，2000t鍛壓機5個工步完成鍛造，采用自動化程度高的步進梁實施操作，鍛后控溫冷卻，表面噴丸，冷擠壓完成外壁和內(nèi)腔油道的成形。該工藝具有生產(chǎn)效率高，尺寸精度高，相比熱鍛而言，加熱能耗還可以降低1/3。

圖6鐘形罩鍛件

優(yōu)化產(chǎn)品，提高材料利用率

鍛造行業(yè)消耗大量的原材料，以汽車鍛件為例，鋼材費用占總成本的60％左右，鋼材的生產(chǎn)需要消耗大量能源，因此優(yōu)化鍛件設(shè)計，提高材料利用率也是節(jié)能的一個途徑。

⑴模鍛件制坯工序的優(yōu)化。優(yōu)化制坯工序可以使坯料盡可能與鍛件截面吻合。鏈軌節(jié)鍛件經(jīng)過優(yōu)化，材料利用率提高10％，從飛邊的大小可以看出，改進前后，飛邊的大小發(fā)生很大變化。但是，很多時候，模鍛件的效率更加重要，增加制坯或者制坯工序復(fù)雜耗時，都會影響效率。通常采取把制坯工序移到外面，使用輥鍛機或高速沖床制坯，以節(jié)約主機有效工時。

圖7鏈軌節(jié)飛邊的變化，材料利用率的提高

⑵采用閉式鍛造工藝。閉式鍛造具有材料利用率高、鍛件精度高的特點，特別適合于回轉(zhuǎn)體鍛件。南汽鍛造通過對齒輪鍛件的工藝改進，在730t摩擦壓力機上用閉式方式取代原1600t鍛壓機開式鍛造，表1是改進前后，材料利用率的對比。

表1閉式鍛造與開式鍛造的材料利用率對比

閉式鍛造比開式鍛造材料利用率平均提高9.1％，鍛件的加工余量均勻，加工量減少，受到客戶歡迎。但閉式鍛造對下料要求較高，模具壽命相對短一些，鍛造的生產(chǎn)效率也有所下降，應(yīng)綜合考慮。

⑶以鍛代切，降低切削加工成本。鏈軌節(jié)的兩個側(cè)面和窗口螺母座是鍛后用銑床和拉床加工出來的，南汽鍛造經(jīng)過數(shù)年的努力，在鍛造的切邊沖孔過程中，利用氮氣彈簧壓緊工件，將兩側(cè)面和螺母座面沖切出平面，以取代機械加工。該項目投入使用后，每件產(chǎn)品可節(jié)約1/3加工工時。

圖8鏈軌節(jié)以鍛代切表面示意圖

⑷局部鍛造取代整體鍛造。船用鍛件如圖9所示。該產(chǎn)品原工藝用直徑為35mm的材料，在2t錘稍作滾擠后整體鍛造，材料利用率只有62％，不僅材料成本高，整體加熱的能源消耗也大。經(jīng)過多次試驗，改進為細直徑材料局部加熱、平鍛機鐓粗的工藝，材料利用率從64％提升到89％，單件能源消耗也降低了50％，如圖10所示。（未完待續(xù)，在2012年的第5期，敬請讀者關(guān)注“鍛造行業(yè)的節(jié)能降耗——裝備技術(shù)篇”）

圖9竹節(jié)桿鍛件示意圖

圖10竹節(jié)桿工藝改進前后對比