06Cr25Ni20鋼環(huán)鍛件鍛壓成形規(guī)律研究

陳 洪 王雷剛 錢(qián)喜根 吳君三 宋亞?wèn)|

(1.江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇212013； 2.張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司，江蘇215600)

奧氏體熱強(qiáng)鋼06Cr25Ni20常用作生產(chǎn)汽輪機(jī)傳動(dòng)和載重裝置的大型環(huán)鍛件，屬高性能鍛件，且性?xún)r(jià)比很高。目前，該鋼在汽輪機(jī)環(huán)鍛件上的用量很大，還可以向汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)其它零部件推廣，應(yīng)用前景十分廣闊。但是該鋼的成形難度較大，鍛造鐓粗和軋環(huán)時(shí)所需的成形力較大，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的要求比較高，而且鍛件在鐓粗、沖孔時(shí)表面容易出現(xiàn)裂紋而使得生產(chǎn)過(guò)程控制比較困難。為解決這一難題，本文對(duì)06Cr25Ni20鋼塑性成形規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 產(chǎn)品規(guī)格及要求

某型號(hào)的環(huán)鍛件外徑為3 095 mm，內(nèi)徑為2 878 mm，高143 mm，如圖1 所示。材質(zhì)為06Cr25Ni20鋼。該鋼采用電爐+爐外精煉+真空脫氣的冶煉方法，該方法能有效地控制H含量在2×10-6以下，防止鍛件內(nèi)部出現(xiàn)白點(diǎn)，并且能杜絕外部夾雜物的來(lái)源。其化學(xué)成分符合GB/T 222—2006的要求，如表1所示。06Cr25Ni20電渣錠非金屬夾雜物符合GB/T 10561—2005要求，其低倍組織缺陷等級(jí)符合表2規(guī)定。鍛造加熱保溫溫度為1 250℃±20℃， 始鍛溫度為1 150℃，終鍛溫度為900℃。鍛造比≥2。熱處理工藝為1 080℃固溶，1 080℃保溫時(shí)間應(yīng)為6 h～10 h。固溶后的環(huán)鍛件力學(xué)性能如表3所示。

圖1 環(huán)件尺寸示意圖Figure 1 Schematic drawing of the ring size

牌號(hào)CMnSiPSCrNiMoCu06Cr25Ni20≤0.08≤2.00≤1.50≤0.045≤0.0324.00～26.0019.00～22.00≤0.5≤0.5

表2 低倍組織缺陷等級(jí)Table 2 Grades of macrostructure defects

表3 環(huán)鍛件的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of ring forging

2 鍛造工藝分析

2.1 加熱過(guò)程

由于06Cr25Ni20鋼合金元素種類(lèi)多并且含量比較高，使得鋼的加熱溫度高，且高溫保溫時(shí)間較長(zhǎng)，易造成粗晶。若保溫時(shí)間不夠，則鍛造時(shí)毛坯易開(kāi)裂。根據(jù)高合金鋼加熱規(guī)范加熱開(kāi)始時(shí)1.5 h/100 mm，加熱后期可直接根據(jù)加熱爐功率加熱。預(yù)熱段保溫時(shí)間為0.6 min/mm～0.8 min/mm，加熱段保溫時(shí)間為0.5 min/mm～1.0 min/mm。毛坯一火加熱曲線(xiàn)如圖2所示。

由于該鋼的合金元素含量較高，減弱了鋼的塑性，為減小鍛造開(kāi)裂的幾率，整個(gè)過(guò)程需多火完成，而毛坯以后各火加熱溫度、時(shí)間則根據(jù)毛坯實(shí)際尺寸、剩余變形量來(lái)確定。為確保鍛件不粗晶，最后一火加熱溫度應(yīng)降低20～30℃，并有足夠大的變形量。

2.2 鍛壓制坯過(guò)程[1,2]

根據(jù)環(huán)鍛件的尺寸和重量，其火耗系數(shù)為8%，可計(jì)算出鍛棒尺寸為?580 mm×590 mm，重量為1 225 kg。開(kāi)始鐓粗時(shí)，鍛棒由590 mm高鐓粗至約380 mm時(shí)，鼓形表面出現(xiàn)裂紋，如圖3所示。沖孔后兩鍛件內(nèi)孔圓角處出現(xiàn)裂紋，外表面裂紋加重，如圖4所示。

鐓粗時(shí)毛坯受力如圖5所示。Ⅰ區(qū)變形程度最小，Ⅱ區(qū)變形程度最大，Ⅲ區(qū)變形程度居中。由于Ⅱ區(qū)在鐓粗中金屬變形程度大，Ⅲ區(qū)變形程度小，于是Ⅱ區(qū)金屬向外流動(dòng)時(shí)便對(duì)Ⅲ區(qū)金屬作用有徑向壓應(yīng)力，并使其在切向受拉應(yīng)力。愈靠近毛坯表面切向拉應(yīng)力愈大。當(dāng)切向拉應(yīng)力超過(guò)材料當(dāng)時(shí)的強(qiáng)度極限或切向變形超過(guò)材料允許的變形程度時(shí)，便引起縱向裂紋。低塑性材料由于抗剪切的能力弱，常在側(cè)表面產(chǎn)生45°方向裂紋。從現(xiàn)場(chǎng)06Cr25Ni20鋼表面裂紋分析判斷，該材料由于鐓粗時(shí)變形不均勻引起表面開(kāi)裂。

鍛坯沖孔時(shí)外徑產(chǎn)生裂紋是由于沖頭下部金屬向外流動(dòng)使外層金屬切向受到拉應(yīng)力和拉應(yīng)變引起的。D/d愈小時(shí)，愈易產(chǎn)生裂紋，如圖6所示。也就是說(shuō)沖頭直徑愈小，裂紋愈不易出現(xiàn)，通常取D/d≥2.5～3。內(nèi)孔圓角產(chǎn)生裂紋是由于此處與上沖頭接觸，溫度降低較快，材料塑性下降，并且沖頭一般都有錐度，當(dāng)沖頭向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，此處被脹裂。

3 工藝改進(jìn)[3,4]

(1)在鐓粗時(shí)，為使06Cr25Ni20高合金鋼其變形均勻，防止裂紋產(chǎn)生，必須采用合適的變形方式，如鉚鐓、疊鐓、套環(huán)內(nèi)鐓粗、鋼錠兩端加碳鋼墊鐓粗等。根據(jù)設(shè)備能力，我們采用疊鐓方式。具體操作流程為：操作機(jī)在加熱爐內(nèi)把兩鋼錠疊放在一起，并夾持到鐓粗工作臺(tái)上(此處兩鋼錠外徑或外形尺寸必須一致)，檢查兩鋼錠端部是否有爐渣，若有爐渣必須清除，然后把兩鋼錠對(duì)齊，放正。35 MN壓機(jī)緩慢加壓，根據(jù)出坯高度，先把兩鋼錠鐓成一定高度的蘑菇狀。為保證兩鋼錠的塑性，把兩鋼錠回爐加熱，然后把兩鋼錠各自翻轉(zhuǎn)再次疊加在一起鐓粗至出坯高度。疊鐓優(yōu)點(diǎn)是毛坯鐓粗時(shí)兩側(cè)鼓形量極大地減小，使毛坯變形均勻，顯著地降低了變形抗力，并將鍛件最大鼓形處出現(xiàn)的切向拉應(yīng)力分解掉，這樣就減小了產(chǎn)生裂紋的幾率。疊鐓示意圖如圖7所示。

圖3 鐓粗時(shí)裂紋示意圖 圖4 沖孔時(shí)裂紋示意圖Figure 3 Schematic drawing of crack when upsetting Figure 4 Schematic drawing of crack when punching

圖5 鐓粗時(shí)毛坯受力示意圖 圖6 沖孔示意圖Figure 5 Schematic drawing of force when upsetting Figure 6 Schematic drawing of punching

圖7 疊鐓示意圖Figure 7 Schematic drawing of folding upsetting

(2)沖孔時(shí)外徑和內(nèi)孔的裂紋分別是由沖頭直徑過(guò)大及鍛件溫度過(guò)低引起的。為降低這兩方面的影響，可采取以下措施：1)根據(jù)D/d≥2.5～3和毛坯外徑D，測(cè)算出沖頭直徑，根據(jù)實(shí)際情況選?240 mm沖頭較合適。2)時(shí)刻注意鍛件心部溫度，發(fā)現(xiàn)溫度下降時(shí)及時(shí)回爐加熱。沖孔時(shí)要求沖頭錐度小，不可強(qiáng)行一次完成沖孔，應(yīng)多次加熱，逐步?jīng)_成。

4 結(jié)論

(1)毛坯鐓粗時(shí)鼓形表面切向拉應(yīng)力較大，使鍛坯表面產(chǎn)生縱向裂紋，影響鍛坯表面質(zhì)量。針對(duì)這一情況，提出了疊鐓的鐓粗方法，使得毛坯鐓粗時(shí)兩側(cè)鼓形小，并將鍛件最大鼓形處出現(xiàn)的切向拉應(yīng)力分解掉，減小了產(chǎn)生裂紋的幾率。

(2)由于沖頭直徑過(guò)大及鍛件溫度過(guò)低使得鍛坯沖孔時(shí)外徑和內(nèi)孔圓角處產(chǎn)生裂紋。因此，選擇?240 mm沖頭，盡量減小沖頭錐度，必要時(shí)在沖孔過(guò)程中多次加熱，分幾步完成沖孔工序。

(3)實(shí)踐證明，改進(jìn)后的工藝極大地降低了產(chǎn)生裂紋的幾率。

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