专利名称：一种高效率愈合钢锭内部孔洞型缺陷的锻造方法
技术领域：
本发明属于锻造领域，具体地说就是一种高效率愈合钢锭内部孔洞型缺陷的锻造方法，它适用于各种尺寸钢锭的自由锻过程。
背景技术：
锻造是大部分金属材料加工过程中的重要工序，通过锻造可以改善锻件内部质量，即破碎铸态组织、细化晶粒、均勻组织，并可锻合金属在冶炼过程中产生的缩孔、气孔和疏松等缺陷，对提高锻件质量有着重要的意义。大型钢锭在浇注以及随后的凝固过程中会产生缩孔、疏松、气孔等孔洞型缺陷。对于大型钢锭，在金属液浇注到钢锭模以后，与钢锭模接触的金属液将首先凝固，而心部的金属由于热传导慢将最后凝固。钢锭心部区域将逐渐形成糊状区，而此时钢锭冒口顶部表面已经凝固，导致无法对心部进行补缩，最终在钢锭轴线心部区域形成缩孔和疏松等缺陷，这些缺陷由于尺寸较大，必须使用有效的锻造工艺将其锻合，否则将造成整件报废的严重后果，导致重大的经济损失。如附图1所示，从100吨核电转子用钢锭内部缺陷的实际解剖照片可见，钢锭心部区域形成的缩孔疏松呈细长条状沿轴线分布。按照钢锭实际大小建立模型，并使用解剖照片中真实疏松外形，对其进行轴向镦粗过程的有限元模拟结果如附图2所示，可以看出， 初始疏松区域(如图中左边部分所示)在经过压下率为50%的轴向镦粗后，无法完全愈合 (如图中右半部分所示)，这是由疏松本身的外形和分布状态决定的。因此，在整个锻造过程中，轴向镦粗无法有效锻合钢锭的中心疏松，主要依靠拔长来完成对中心疏松的修复。从改变锻件内部应力状态的角度出发，研究人员提出了 FM、FML和JTS法等多种拔长方法。在提出这些方法的过程中，人们已经意识到使用宽砧能够更加有效的锻合钢锭的中心疏松，但这些拔长方法的砧宽仍然不足以完全锻合钢锭的中心疏松，而且由于在2次下压之间留有接砧的区域，此区域的应变很小，成为了一个变形死区，使这些锻造方法无法有效锻合该区域内的孔洞型缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效率愈合钢锭内部孔洞型缺陷的锻造方法，以解决目前的锻造方法导致的无法完全锻合钢锭内部孔洞型缺陷，尤其是中心疏松的问题。采用本发明制定的锻造方法，能够保证钢锭内部孔洞型缺陷的愈合效果，大大减少锻件因中心疏松未锻合而无法通过探伤检验导致报废的可能。本发明的技术方案是一种高效率愈合钢锭内部孔洞型缺陷的锻造方法，包括如下步骤1)对高径比大于1. 2的钢锭进行轴向预镦粗，将其镦粗至高径比为0. 8 1. 1 ；2)上砧和下砧分别使用上平板和下平板，对坯料进行径向镦粗，在径向镦粗过程中的压下量为20% 25% ；
3)在径向镦粗后将坯料翻转90°，进行拔长，直到坯料的高径比为1. 8 2. 2 ；4)对坯料进行加热、轴向镦粗，使坯料高径比为0. 5 0. 7 ；再次进行拔长，将坯料拔长至最终尺寸。所述步骤幻，径向镦粗过程中的压下方向是常规拔长方法中的压下方向。所述步骤幻，径向镦粗过程中的压下量是指上平板的压下距离为坯料原始高度或直径的20% 25%，压下量计算公式为压下量=ΔΗ/Η其中，ΔΗ为锻造过程中上平板压下的距离，H为坯料原始高度，如果坯料为圆柱体且压下方向沿直径方向，则取直径尺寸。在所述步骤2、径向镦粗结束后，将坯料重新加热至其锻造所需温度，以减小后续拔长过程的变形抗力，并使已闭合的孔洞型缺陷有更充分的时间愈合。所述步骤3)，使用WHF法或FM法进行拔长，每次压下量为20 % 25 %，在两个趟次结束后，再次将坯料翻转90°进行第三趟次的拔长，此过程结束后坯料的高径比为 1. 8-2. 2。所述步骤幻，在拔长过程结束后，记录下步骤2~)中径向镦粗的压下方向，在步骤 4)中再次拔长过程的第一个趟次沿此方向压下，以提高锻造过程中孔洞型缺陷的愈合效^ ο所述步骤4)，在拔长的过程中再次使用步骤2、中的径向镦粗，此次径向镦粗的方向与前一次径向镦粗的方向相同，两次径向镦粗的叠加使得坯料内部的孔洞型缺陷沿同一方向得到充分的变形，以提高锻造过程中孔洞型缺陷的愈合效果。所述步骤4)，使用WHF法或FM法进行拔长，沿步骤2)中径向镦粗的压下方向进行第一趟次的拔长，之后将坯料翻转90°进行第二趟次的拔长，这两趟次拔长过程中每次压下量均为20% 25%，这两趟次拔长结束后坯料的高径比为0. 8-1. 1，此时再次使用步骤 2)所述的径向镦粗方法，之后使用WHF法或FM法将坯料拔长至最终尺寸。在所述步骤4)的径向镦粗之前增加一个火次，即将坯料重新加热至其锻造所需温度，以降低所需压机压力。本发明的有益效果是1、本发明提出了一种高效率愈合钢锭内部孔洞型缺陷的锻造方法，此方法与WHF 法或FM法等常规拔长方法相比，能够大大增加钢锭内部应变，从而有利于钢锭内部孔洞型缺陷的愈合，大大减少锻件因中心疏松未锻合而无法通过探伤检验导致报废的可能。2、本发明提出的一种高效率愈合钢锭内部孔洞型缺陷的锻造方法，可以使用较少的火次和锻造工序得到高质量的锻件产品，从而减少设备占用时间，提高生产效率，降低能源消耗，节约生产成本并缩短生产周期。总之，本发明采用数值模拟技术研究了在传统的自由锻过程中钢锭内部应变的分布状况及其对钢锭中孔洞型缺陷闭合效果的影响，并在此基础上提出了一种包括轴向预镦粗、径向镦粗等步骤的高效率愈合钢锭内部孔洞型缺陷的锻造方法。本发明提出的高效率愈合钢锭内部孔洞型缺陷的锻造方法适用于各种尺寸的钢锭自由锻过程，尤其对于中心疏松严重的大型钢锭有良好的效果。采用本方法生产的锻件，能够保证钢锭内部孔洞型缺陷的愈合，大大减少锻件因中心疏松未锻合而报废的可能，并可减少锻造趟次和火次，节约成本并缩短锻件的生产周期。
图1为100吨核电转子用钢锭内部缺陷的实际解剖照片。图2左侧为钢锭中心疏松的初始外形示意图，右侧为通过有限元模拟得到的经过压下率为50%的轴向镦粗后，钢锭中心疏松的外形示意图。图中尺寸单位为mm。图3a_e为锻造流程示意图，其中图3a为钢锭形态示意图；图北为坯料轴向镦粗过程示意图；图3c为坯料径向镦粗过程示意图；图3d为坯料使用WHF法拔长过程示意图(A面沿水平方向)；图!Be为坯料使用WHF法拔长过程示意图(A面沿竖直方向)。图4为尺寸、形状与实际孔洞相类似的孔洞简化模型示意图。图fe为通过有限元模拟得到的实施例中径向镦粗后的等效应力场分布图。图恥为通过有限元模拟得到的实施例中孔洞型缺陷在径向镦粗后的形状示意图。图6a为通过有限元模拟得到的对比例1中使用WHF法拔长后的等效应力场分布图。图6b为通过有限元模拟得到的对比例1中孔洞型缺陷在WHF法拔长后的形状示意图。图7a为通过有限元模拟得到的对比例2中使用WHF法拔长后的等效应力场分布图。图7b为通过有限元模拟得到的对比例2中孔洞型缺陷在WHF法拔长后的形状示意图。图中，1-钢锭；2-坯料；3-(轴向镦粗使用的)镦粗帽；4-(轴向镦粗使用的)镦粗盘；5_(径向镦粗使用的)上平板；6-(径向镦粗使用的)下平板；7-(WHF法拔长使用的) 上平砧；8-(WHF法拔长使用的)下平砧；9-钳把；B-孔洞位置。
具体实施例方式下面结合附图及实施例详述本发明。本发明提出了一种高效率愈合钢锭内部孔洞型缺陷的锻造方法，包括如下步骤1)图3a为钢锭形态示意图，在压钳把、倒棱、切除多余冒口等工艺结束后，如图北所示，对钢锭1进行轴向预镦粗。如果钢锭1的高径比大于1. 2，则将钢锭1放置在镦粗盘 4上，使用镦粗帽3将其镦粗至高径比为0. 8 1. 1，以保证后续拔长过程中有足够大的压下量，使钢锭获得足够大的应变，以利于钢锭内部孔洞型缺陷的愈合。如果钢锭1的高径比在1. 2以下则不需要进行轴向预镦粗。2)如图3c所示，将圆柱体形的坯料2轴线沿水平方向放置在下平板6上，使用上平板5对坯料2进行径向镦粗，定义图中竖直的平面为A面。在径向镦粗过程中，其压下方向是沿圆柱体坯料的直径方向，即常规拔长方法中的压下方向。这是一个镦粗过程，但由于其压下方向与拔长过程相同，在本发明中称这样一个过程为径向镦粗。在此径向镦粗过程中的压下量为20% 25%，即上平板5的压下距离为坯料2原始高度(或直径)的20% 25%，压下量计算公式为压下量=ΔΗ/Η其中，Δ H为锻造过程中上平板5压下的距离(在下平板6不发生位移的情况下)， H为坯料2原始高度，如果坯料为圆柱体且压下方向沿直径方向，则取直径尺寸。在径向镦粗结束后，将坯料重新加热至锻造所需温度，以减小后续拔长过程的变形抗力并使已闭合的孔洞型缺陷有更充分的时间愈合。3)使用WHF法或FM法等常规方法进行后续的拔长过程。如图3d所示，使用WHF 法对坯料2进行拔长。首先将坯料2翻转90°，使A面转到水平方向，将坯料2靠近钳把9 的一端放置在下平砧8上，使用上平砧7在对应位置下压，压下量为20% 25%。之后将上平砧7抬起，将坯料2向图3d中左方移动，移动距离略小于一个上平砧7的宽度，再次将上平砧7下压，压下量为20% 25%。重复此过程一直压至坯料的末端，此过程称为一个趟次。在第一个趟次完成后沿同样方向进行第二趟次。之后如图:3e所示，再次将坯料翻转 90°，使A面转到竖直方向进行第三趟次的拔长。此过程结束后坯料2的高径比为1. 8-2. 2。 在拔长过程结束后记录下步骤幻中径向镦粗的压下方向，以便在步骤4)的拔长过程中能够沿此方向压下，以提高锻造过程中孔洞型缺陷的愈合效果。4)对坯料进行加热、轴向镦粗、再次拔长。首先将坯料重新加热至锻造所需温度， 之后如图北所示，将坯料放置在镦粗盘4上，使用镦粗帽3将其镦粗至高径比为0. 5 0. 7， 此过程即传统的镦粗方法，在本发明中为了与径向镦粗相区别，称其为轴向镦粗。在轴向镦粗过程完成后，如图3e所示，使用常规拔长方法沿径向镦粗的压下方向(即使A面竖直) 进行第一趟次的拔长，之后如图3d所示将坯料翻转90°使A面转到水平方向进行第二趟次的拔长。这两趟次拔长过程中每次压下量为20% 25%，拔长结束后坯料2的高径比为 0.8 1.1。如图3c所示，此时再次使用步骤幻所述的径向镦粗方法进行镦粗。由于径向镦粗所需压力较大，可以在径向镦粗之前增加一个火次(即将坯料加热至其锻造所需温度)。由于此次径向镦粗的方向与前一次径向镦粗的方向相同，两次径向镦粗的叠加使得坯料内部的孔洞型缺陷沿同一方向得到了充分的变形，因此会有非常好的愈合效果。如图3d 所示，最后使用传统拔长方法将坯料拔长至最终尺寸。对于内部孔洞型缺陷不太严重的钢锭，也可以使用常规的拔长方法代替步骤4) 中的径向镦粗过程。但即使是使用常规的拔长方法，仍然要使第一趟次的压下方向与径向镦粗的压下方向相同。本发明中，轴向预镦粗、径向镦粗和拔长等锻造过程的坯料温度采用坯料材质常规要求的锻造所需温度。
实施例本实施例的钢锭在锻造前外形为圆柱体，原始尺寸为Φ 2230mmX 2370mm，高径比为1. 063，材质为6Cr2MnMoV，钢锭重约100吨，坯料加热温度为1200°C。如图4所示，根据钢锭解剖结果，在钢锭中心偏向冒口端制造一尺寸、形状、位置与实际孔洞相类似的简化模型，此孔洞模型呈圆柱体状，尺寸为Φ 12. 14mmX 90mm，在圆柱体棱的部位有半径为5mm的圆角。由于钢锭的高径比在1.2以下，直接将其进行径向镦粗，压下量为20%。图如为通过有限元模拟得到的径向镦粗后的坯料等效应变场分布图，由图中可见径向镦粗的应变集中于坯料的中心部位(见孔洞位置B)，可达0.5以上，这非常有利于中心疏松的愈合。图 5b为通过有限元模拟得到的孔洞型缺陷简化模型在径向镦粗后的形状示意图，由图可见在径向镦粗过程结束后，该缺陷已经完全闭合，在经过后续的加热过程后，相接触的孔洞上下表面将完全焊合，在之后的锻造过程中也不会再次开裂，从而实现了通过锻造愈合钢锭中心疏松的目的，大大减少锻件因中心疏松未锻合而报废的可能。对比例1本对比例使用WHF法对钢锭进行一个趟次的拔长，拔长所用下下平砧的砧宽均为 1200mm，其它条件与实施例相同，同样在钢锭心部制造一孔洞型缺陷的简化模型。图6a为本对比例通过有限元模拟得到的拔长后的等效应变场分布图，由图中可见由于上下砧的宽度有限，在接砧区域等效应变非常小，此区域内的孔洞型缺陷无法闭合。图6b为本对比例通过有限元模拟得到的孔洞型缺陷(见孔洞位置B)在拔长后的形状示意图。由图中可见钢锭的中心疏松仅有轻微的变形，远不能到达使孔洞闭合的程度。对比例2本对比例使用WHF法对钢锭进行一个趟次的拔长，其它条件与实施例均相同，同样在钢锭心部制造一孔洞型缺陷的简化模型。与对比例1的区别在于使用WHF法进行拔长的过程中进行了半砧的错砧，以使孔洞型缺陷的简化模型处于应变较大的区域，利于其闭合。图7a为本对比例通过有限元模拟得到的拔长后的等效应力场分布图，由图中可见在本对比例中孔洞型缺陷(见孔洞位置B)的简化模型正处于等效应变最大的区域。图7b为本对比例通过有限元模拟得到的孔洞型缺陷在拔长后的形状示意图，由图中可见该缺陷已经明显变形，但此拔长方法仍不足以使其完全闭合。由对比例1和对比例2的结果可见，使用WHF法进行单趟次拔长不足以使钢锭的中心疏松完全闭合，而即使沿同方向进行两个趟次拔长过程，由于两次拔长之间有半砧的错石占，其对钢锭中心疏松的闭合效果仍不会明显好于对比例2，无法使中心疏松闭合。本发明提出的一种高效率愈合钢锭内部孔洞型缺陷的锻造方法，可以解决目前的锻造方法导致的无法完全锻合钢锭内部孔洞型缺陷，尤其是中心疏松的问题。采用本发明制定的锻造方法，能够保证钢锭内部孔洞型缺陷的愈合效果，大大减少锻件因中心疏松未锻合而无法通过探伤检验导致报废的可能。
权利要求
1.一种高效率愈合钢锭内部孔洞型缺陷的锻造方法，其特征在于，包括如下步骤1)对高径比大于1.2的钢锭进行轴向预镦粗，将其镦粗至高径比为0. 8 1. 1 ；2)上砧和下砧分别使用上平板和下平板，对坯料进行径向镦粗，在径向镦粗过程中的压下量为20% 25% ；3)在径向镦粗后将坯料翻转90°，进行拔长，直到坯料的高径比为1.8 2. 2 ；4)对坯料进行加热、轴向镦粗，使坯料高径比为0.5 0. 7 ；再次进行拔长，将坯料拔长至最终尺寸。
2.按照权利要求1所述的高效率愈合钢锭内部孔洞型缺陷的锻造方法，其特征在于 所述步骤幻，径向镦粗过程中的压下方向是常规拔长方法中的压下方向。
3.按照权利要求1所述的高效率愈合钢锭内部孔洞型缺陷的锻造方法，其特征在于 所述步骤幻，径向镦粗过程中的压下量是指上平板的压下距离为坯料原始高度或直径的 20% 25%，压下量计算公式为压下量=ΔΗ/Η其中，ΔΗ为锻造过程中上平板压下的距离，H为坯料原始高度，如果坯料为圆柱体且压下方向沿直径方向，则取直径尺寸。
4.按照权利要求1所述的高效率愈合钢锭内部孔洞型缺陷的锻造方法，其特征在于 在所述步骤2、径向镦粗结束后，将坯料重新加热至其锻造所需温度，以减小后续拔长过程的变形抗力，并使已闭合的孔洞型缺陷有更充分的时间愈合。
5.按照权利要求1所述的高效率愈合钢锭内部孔洞型缺陷的锻造方法，其特征在于 所述步骤3)，使用WHF法或FM法进行拔长，每次压下量为20 % 25 %，在两个趟次结束后， 再次将坯料翻转90°进行第三趟次的拔长，此过程结束后坯料的高径比为1.8-2.2。
6.按照权利要求1或5所述的高效率愈合钢锭内部孔洞型缺陷的锻造方法，其特征在于所述步骤幻，在拔长过程结束后，记录下步骤幻中径向镦粗的压下方向，在步骤4)中再次拔长过程的第一个趟次沿此方向压下，以提高锻造过程中孔洞型缺陷的愈合效果。
7.按照权利要求1所述的高效率愈合钢锭内部孔洞型缺陷的锻造方法，其特征在于 所述步骤4)，在拔长的过程中再次使用步骤2、中的径向镦粗，此次径向镦粗的方向与前一次径向镦粗的方向相同，两次径向镦粗的叠加使得坯料内部的孔洞型缺陷沿同一方向得到充分的变形，以提高锻造过程中孔洞型缺陷的愈合效果。
8.按照权利要求1或7所述的高效率愈合钢锭内部孔洞型缺陷的锻造方法，其特征在于所述步骤4)，使用WHF法或FM法进行拔长，沿步骤2)中径向镦粗的压下方向进行第一趟次的拔长，之后将坯料翻转90°进行第二趟次的拔长，这两趟次拔长过程中每次压下量均为20% 25%，这两趟次拔长结束后坯料的高径比为0. 8-1. 1，此时再次使用步骤2)所述的径向镦粗方法，之后使用WHF法或FM法将坯料拔长至最终尺寸。
9.按照权利要求8所述的高效率愈合钢锭内部孔洞型缺陷的锻造方法，其特征在于 在所述步骤4)的径向镦粗之前增加一个火次，即将坯料重新加热至其锻造所需温度，以降低所需压机压力。
全文摘要
本发明属于锻造领域，具体地说就是一种高效率愈合钢锭内部孔洞型缺陷的锻造方法，适用于各种尺寸钢锭的自由锻过程。采用数值模拟技术研究在传统自由锻过程中钢锭内部应变的分布状况及对钢锭中孔洞型缺陷闭合效果的影响，并在此基础上提出包括轴向预镦粗、径向镦粗等步骤的高效率愈合钢锭内部孔洞型缺陷的锻造方法。其步骤包括1)在压钳把、倒棱、切除多余冒口等工艺结束后，对钢锭进行轴向预镦粗。2)上下砧均使用平板，对坯料进行径向镦粗。3)在径向镦粗后将坯料翻转90°，继续使用WHF法或FM法等常规方法进行拔长。4)对坯料进行加热、轴向镦粗、再次拔长。在拔长的过程中可再次使用径向镦粗方法，也可以使用WHF法或FM法等常规方法。
文档编号B21J5/06GK102500733SQ20111028288
公开日2012年6月20日 申请日期2011年9月22日 优先权日2011年9月22日
发明者孙明月, 徐斌, 李殿中 申请人:中国科学院金属研究所