专利名称：一种轴类大锻件内部空穴的消除方法
技术领域：
本发明涉及金属材料的改性加工方法，具体是指一种轴类大锻件内部空穴的消除 方法。
背景技术：
轴类大锻件是指重量为五吨以上的钢锭锻件，钢锭材质一般为碳素钢，截面尺寸一般为边长400 500mm的正方形。由于钢锭尺寸较大，在钢锭凝固过程中，越接近工件表 面温度越低，所以凝固过程由表面向心部扩展，即表面先凝固而心部后凝固。当心部开始凝 固时，表面已经形成坚固且较厚的外壳，由于热胀冷缩现象，心部材料凝固时的体积收缩将 无法得到补充，从而必然在凝固过程中形成一些直径约为1 2mm的空穴。为了消除或减少钢锭中的空穴，一种方法是将炼出的钢液并不直接铸成钢锭，而 是倾入水中，使钢水成为金属颗粒，然后再在坩埚中重熔，以便控制钢中的碳含量并减少空 穴。但这种方法不适用于大型锻件钢锭的制备，而且过于繁琐，已被逐渐淘汰。对于不锈钢之类的钢锭，可以加入少量的稀土元素，以消除钢锭中因氢气引起的 气泡，但并不能减少热胀冷缩引起的空穴，而且并不适用于碳素钢。采用热轧方法加工钢材时，虽然可以减少或消除锻件内部的裂纹和疏松，但这种 方法只适用于加工钢板之类的材料。对于常规的锻造工艺，由于在对工件锻打而使其变得更长时(拔长)，往往不断地 操作工件使其沿长度方向(Y轴方向)进行90°翻转，虽然也能消除一些内部裂纹和疏松， 但并不控制锻件内部空穴的状况。由于空穴的存在必然会导致材料强度的降低，因此以前往往为了达到预定的设计 强度，便增加零件的设计尺寸，通过增加材料投入的方法来抵消内部空穴对材料强度的削 弱，因此将会带来材料成本的提高。
发明内容
为了克服现有技术的不足，提供一种成本低、工艺简单可彻底消除轴类大锻件内 部空穴的方法。本发明采用控制单向压缩变形量的方法消除大锻件的内部空穴，在不对轴类大锻 件进行翻转操作的情况下使轴类大锻件的单向压缩变形量达到28% 32%;且保持温度在 900°C以上；由于在大锻件钢锭的锻造过程中，必须将钢锭进行拔长，即沿钢锭横截面方向 进行锻打，以减小横截面面积，增加锻件长度，本发明的方法既可降低成本，又达到轴类大 锻件内部空穴的消除的目的。本发明的目的通过如下技术方案实现一种轴类大锻件内部空穴的消除方法，包括如下工序(1)根据轴类大锻件的碳素钢材料牌号，按照锻压手册规定的加热规范进行加热 和保温；所述轴类大锻件为碳素钢材，重量为五吨以上，钢锭材质截面尺寸为边长400 500mm的正方形；(2)在保持轴类大锻件温度为900°C条件下，把加热后的钢锭的一段水平放在锻 锤的下砧的中间，上砧随锻锤的锤头向下打击，使轴类大锻件产生变形，在不对轴类大锻件 进行翻转操作的情况下使轴类大锻件的单向压缩变形量达到28% 32%;使轴类大锻件被 锻打段中的空穴上下面贴合；(3)在保持轴类大锻件温度为900°C条件下，将轴类大锻件沿长度方向移动上砧 宽度的70 80%，继续锻打，使轴类大锻件产生变形，在不对轴类大锻件进行翻转操作的 情况下使轴类大锻件的单向压缩变形量达到28% 32%;同时在这一过程中前一锻打段中 已贴合的空穴自动进行原子扩散(扩散焊接)，使空穴彻底消除。(4)重复步骤(3)，消除整个轴类大锻件中的空穴。为进一步实现本发明目的，所述的轴类大锻件为含碳量优选为0. 05 0. 65wt% 的碳素钢材。所述的轴类大锻件为含碳量0. 05 0. 1 Iwt %的碳素钢材。所述的轴类大锻件进一步优选为含碳量0. 57 0. 65wt% d的碳素钢材。所述的轴类大锻件进一步优选为含碳量0. 32 0. 39wt%的碳素钢材。消除轴类大锻件被锻打段中的空穴后，沿轴类大锻件长度方向移动到下一段的距 离为上砧宽度的80%。所述保温的时间优选为30-40分钟。一般而言，空穴的原子扩散(扩散焊接)的时间不少于两分钟。为了保证空穴上 下面贴合后两分钟的焊接时间，锻件达到规定单向压缩变形量之后的两分钟内，锻件的温 度应不低于900°C，并且不能将锻件翻转90度进行锻打。这一时间要求正常操作时都会自 动满足，不需要为此而特意停留两分钟时间。因为某一段在完成规定的单向压缩变形量后， 在后续段的锻打过程中便已完成焊接，而完成最后一段锻打时，又会将锻件翻转后从第一 段开始锻打，同样可以保证最后一段两分钟的扩散焊接时间。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果(1)与常规锻造加工中的拔长过程相比，本发明限制了锻件翻转之前的单向压缩 变形量，克服了只能减小而不能消除空穴的不足。(2)与增加零件设计尺寸的处理方法相比，本发明具有如下优点经过这样的变 形加工，消除了材料的内部空穴，避免了材料强度的降低，可以不用投入更多的材料达到相 同的强度设计目的，降低了构件的材料成本和重量。
图1是钢锭凝固过程中形成的某个内部空穴形状截面2是钢锭在单向锻打过程中某次锻打后内部空穴形状的放大3是空穴在Z方向相对的两个面刚刚接触时的形状放大4是空穴完全消除的结果图。
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明所要求保护的范围并不局限于具体实施方式
中所描述的范围。实施例1轴类大锻件为含碳量较低的碳素钢08钢(含碳量0.05 0. llwt%)。如图1所 示，轴类大锻件是长方体的钢锭10，其横截面尺寸为500mmX 500mm，经过射线探伤发现中 心附近存在最大直径为2. Omm的空穴20，采用锻打并控制单向压缩变形量的方法对空穴实 施去除。设计下砧31和上砧32的材料为H13，砧子X方向(左右方向)尺寸L = 800mm, Y方向(前后方向)尺寸B = 300mm。轴类大锻件截面的左右方向上(X轴方向)，下砧31 和上砧32的尺寸应大于轴类大锻件截面至少50%。查锻压手册确定08钢的始锻温度为1250°C ；先将钢锭10在加热炉中加热到 1250°C，按手册规定保温40分钟，然后从加热炉中取出钢锭，将其水平放置在锻锤的下砧 31上，上砧32随锤头沿Z轴(上下方向)向下锻打钢锭，使钢锭10产生变形，当钢锭在加压 方向(Z方向)的压缩量δ (δ = (Htl-H)A^iVH分别为钢锭锻打前、后沿Z方向的尺寸) 达到17%时，如图2所示，经射线探伤发现空穴20已经变形为细长的椭圆形；当压缩量δ 达到26. 5%时，射线探伤探测空穴20已经基本变形为如图3所示的一条缝隙；当压缩量达 到27%时，射线探伤表明空穴已完全相互贴合。在后续的两分钟时间内继续保持钢锭温度 在900°C以上，以便通过原子扩散，最终成为完全消除内部空穴的连续钢锭10，如图4所示。 在完成第一段锻打后，即可以沿Y轴方向将钢锭移动240mm，完成另外一段材料的内部空穴 的消除。由于轴类大锻件内部空穴都是真空的，将会在锻打钢锭的过程中随钢锭整体变形 而被压扁，空穴Z方向的两个面的材料会逐渐靠近，当二者相互接触时，便产生原子相互扩 散，只要保证不低于900°C的条件，两分钟就可以完成扩散焊接，从而连接成为无缝的整体， 达到消除空穴的目的。在上述锻打过程中，如果一次锻打没有达到所需要的最终压缩量，可以对钢锭进 行多次锻打。需要说明的是，由于在大锻件钢锭的锻造过程中，必须将钢锭进行拔长，即沿钢锭 横截面方向进行锻打，以减小横截面面积，增加锻件长度；如果钢锭的某一横截面内部没有 这种空穴，上述锻打也不影响对钢锭的正常加工。限制900°C的最低变形温度的目的，是保证空穴贴合后原子具有足够的扩散能量； 限制达到设定变形量前工件不能进行翻转锻打的目的，是防止空穴在贴合之前再次被扩大 尺寸。3、在钢锭的长度方向(Y方向)上将钢锭向前移动一段距离继续锻打，该距离取砧 子在Y方向尺寸的70-80 %为宜，优选80 %，使每个截面的单向变形量均达到28 % 32 %， 以便完成对整个锻件消除空穴的加工处理。空穴消除之后，可以按普通锻造方法对锻件进行翻转后继续锻打，完成拔长加工，以获得所设计的轴类大锻件的工序尺寸。实施例2此例轴类大锻件钢锭材料改为含碳量居中的碳素钢35钢(含碳量0. 32 0. 39% )；先按手册数据将钢锭在加热炉中加热到1250°C，保温35分钟，按实施例1的操作 过程对钢锭进行锻打，经检测，当单向压缩变形量达到28. 5%时，射线探伤表明空穴已完全 相互贴合。
实施例3此例轴类大锻件钢锭材料改为含碳量较高的碳素钢60钢(含碳量0. 57 0.65% )，先按手册数据将钢锭在加热炉中加热到1200°C，保温30分钟，按实施例1的操作 过程对钢锭进行锻打，经检测，当单向压缩变形量达到30. 6%时，射线探伤表明空穴已完全 相互贴合。上述各例中，加热温度和保温时间均可以查阅锻压手册确定；而所需压缩量的大 小随碳素钢材料牌号的更换而引起的变化不大，只是因为低碳钢与高碳钢相比，强度较低， 塑性较好，消除空穴所需要的压缩变形量较小，而高碳钢则相对较大。若钢锭截面尺寸有所减小，只要在400 500mm范围内，所需压缩量与上述实施例一致。另外在实施过程中，为了保证实际直径为1 2mm的多个空穴可以全部消除，并保 证在通常不进行射线探伤的情况下消除空穴过程的可靠性，应适当选取稍大的单向压缩变形量。因此，根据不同碳素钢的种类、轴类大锻件钢锭尺寸和内部空穴的情况，单向压缩 变形量取为28 32%。采用本发明的方法，便可以有效地消除轴类大锻件内部的空穴，提高材料的强度。 若采用常规的锻造工艺，在对钢锭进行锻打时，往往在还没有达到上述单向压缩变形量之 前就对钢锭沿Y轴方向进行90°翻转，翻转后再次锻打时，空穴的压缩变形便沿着刚成为 椭圆形空穴的长轴方向进行，导致空穴尺寸扩大，从而增加了消除空穴的难度。而采用本发 明的单向压缩变形量进行控制，便可以先将空穴直接消除，然后再对钢锭进行90°翻转，继 续锻打成所设计的形状。
权利要求
一种轴类大锻件内部空穴的消除方法，其特征包括如下工序(1)根据轴类大锻件的碳素钢材料牌号，按照锻压手册规定的加热规范进行加热和保温，加热温度为加热规范的始锻温度；所述轴类大锻件为碳素钢材，重量为五吨以上，钢锭材质截面尺寸为边长400～500mm的正方形；(2)在保持轴类大锻件温度不低于900℃条件下，把加热后的钢锭的一段水平放在锻锤的下砧的中间，上砧随锻锤的锤头向下打击，使轴类大锻件产生变形，在不对轴类大锻件进行翻转操作的情况下使轴类大锻件的单向压缩变形量达到28％～32％；使轴类大锻件被锻打段中的空穴上下面贴合；(3)在保持轴类大锻件温度不低于900℃条件下，将轴类大锻件沿长度方向移动上砧宽度的70～80％，继续锻打，使轴类大锻件产生变形，在不对轴类大锻件进行翻转操作的情况下使轴类大锻件的单向压缩变形量达到28％～32％；(4)重复步骤(3)，消除整个轴类大锻件中的空穴。
2.根据权利要求1所述一种轴类大锻件内部空穴的消除方法，其特征在于，所述的轴 类大锻件为含碳量0. 05 0. 65wt%碳素钢材。
3.根据权利要求2所述一种轴类大锻件内部空穴的消除方法，其特征在于，所述的轴 类大锻件为含碳量0. 05 0.碳素钢材。
4.根据权利要求2所述一种轴类大锻件内部空穴的消除方法，其特征在于，所述的轴 类大锻件为含碳量0. 57 0. 65wt%碳素钢材。
5.根据权利要求2所述一种轴类大锻件内部空穴的消除方法，其特征在于，所述的轴 类大锻件为含碳量0. 32 0. 39wt%碳素钢材。
6.根据权利要求1所述一种轴类大锻件内部空穴的消除方法，其特征在于，消除轴类 大锻件被锻打段中的空穴后，沿轴类大锻件长度方向移动到下一段的距离为上砧宽度的 80%。
7.根据权利要求1所述一种轴类大锻件内部空穴的消除方法，其特征在于，所述保温 的时间为30-40分钟。
全文摘要
本发明公开了一种轴类大锻件内部空穴的消除方法，该方法先根据轴类大锻件的碳素钢材料牌号，按照锻压手册规定的加热规范进行加热和保温；然后在保持轴类大锻件温度为900℃条件下，把加热后的钢锭的一段水平放在锻锤的下砧的中间，上砧随锻锤的锤头向下打击，使轴类大锻件产生变形，在不对轴类大锻件进行翻转操作的情况下使轴类大锻件的单向压缩变形量达到28％～32％；消除轴类大锻件被锻打段中的空穴；将轴类大锻件沿长度方向移动上砧宽度的70～80％后继续锻打，消除整个轴类大锻件中的空穴。该方法在消除轴类大锻件中的空穴的同时还可提高材料的强度，降低产品成本。
文档编号B21K1/06GK101823115SQ20101015666
公开日2010年9月8日 申请日期2010年4月20日 优先权日2010年4月20日
发明者向延平, 夏琴香, 宋阿生, 宗伟奇, 程秀全, 谢合清, 霍育林, 黎明 申请人:华南理工大学