专利名称：一种大锻件的锻造方法
技术领域：
本发明属于材料加工工程技术领域，具体涉及一种大型锻件成形方法。
背景技术：
钢铁、电力、石油化工、核动力、高能物理和风力发电等大型成套设备，工作载荷巨大，环境恶劣，为保证设备工作的可靠性和安全性、。以风电锻件为例，风电锻件往往是风力发电系统里的重要零件，我国的大多数风场在天寒地冻的北方，风速瞬息万变，锻件在这样恶劣条件工作不但要承受很大的交变载荷，还要承受巨大的冲击载荷，因而，对它的力学性能要求往往很高，由于交变载荷在零件截面的分布，零件的表面性能尤其重要，任何缺陷将会影响其力学性能，降低其疲劳寿命，严重影响整个风力发电系统的安全性和可靠性。目前，大锻件的力学性能要求必须满足Rm ^ 500MPa ； RP0. 2 ^ 300MPa ；晶粒度要求在3级或及3级以上。大型锻件制造的工艺过程是炼钢、铸锭、加热、锻造、预备热处理、最终热处理。铸锭过程中锭身内部形成的空洞、气泡、疏松、夹杂或偏析等冶金缺陷，都必须在锻造成形过程中得以修复或改善。现有修复缺陷的方法一是改变工具或者砧子的形状和尺寸，达到改善锻坯内部应力状态，增大变形量的目的，例如凸面砧墩粗；二是改变钢锭和锻坯的形状， 达到改善锻坯内部应力状态，增大心部变形量的目的；三是改变钢锭和锻坯内部的温度场， 变均勻温度场为满足特殊要求的不均勻温度场，达到改善锻坯内部应力状态的目的。普通自由锻造法，只能保证钢锭A偏析区的疏松、气孔等缺陷锻合，而过渡偏析区和V偏析区的缺陷往往只能部分得到锻合。为了使日益增大的大型钢锭能够锻透，必须保证足够大的锻比和使用吨位足够大的压机，因而越来越困难。为此，日本工厂开始逐步创造和完善了一种降温锻造法。降温锻造法是作为一个工序在锻造的一定阶段进行的。加热到 1250°C左右的坯料在锻造之前，在空气中冷却，对更大的钢锭则用鼓风等方法强制冷却，使表面温度降至700-800°C。这时，中心部仍然保持适于锻造的1050 1200°C的高温，内外温差达到300-350°C。由于坏料存在内外温差，也即内外变形抗力不同，表层的变形小，而心部则获得大于总锻比的最大变形量。这种方法的特点是充分利用坯料冷却时的内外温差效果，造成表层和心部变形抗力的差别，从而使锻压能量集中到容易变形的心部，增大心部的变形量，可以利用较小的锻比，而达到锻透的目的。实际上，这时坯料表层好象一层“硬壳”，而心部得到类似“模锻”的效果。生产实践表明，降温锻造确实大大地提高了锻件的质量，但是采用上述方法锻压时由于能量集中到容易变形的心部，心部的缺陷能够得到很好的消除，然而锻压时表面区域的温度远远低于心部的温度，表面区域不易变形，缺陷也不易消除。此外，在普通自由锻过程中，与砧子接触的表面区域是难变形区，难以获得大的变形量，其性能难以通过变形获得提高，而实际的工况条件往往对表面性能有较高的要求。因此，单一的降温锻造工艺难以获得力学性能高、表面和心部变形、组织和力学性能均勻性的大锻件。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供一种可以有效消除大锻件缺陷，提高大锻件的力学性能、表面和心部变形、组织和力学性能均勻性的大锻件的锻造方法。本发明通过如下技术方案来实现 一种大锻件的锻造方法，包括如下步骤
1)将铸坯或连铸坯加热至锻造温度，保温；
2)冷却，使铸坯的表面温度降至700-800°C，心部仍然保持高温，内外温差达到 400-450°C时，对坯料进行总变形程度为6 20%的中心压实锻造，得到钢坯；
3)冷却，当整个钢坯的温度为700°C、00°C时，以5(TlO(TC/h的升温速度升温至锻造温度，保温、使钢坯表面区域温度达到锻造温度，而心部温度仍然保持在700-800°C，对钢坯进行总变形量为6 20%的锻造。作为改进，完成步骤2)后先升温至锻造温度、保温后锻压成型，随后进行步骤3) 的锻造。作为改进，完成步骤3)后升温至锻造温度，保温后锻压成型。作为改进，步骤1)的升温速度彡IOO0C / h。作为改进，步骤3)可放在步骤1)和步骤2)之前。本发明采用锻件的心部与表面分区锻造的方法，该方法具有以下优点
一、可以有效提高锻件表面区域的性能，使锻件在使用条件下满足表面高工作应力的要求；
二、有效改善了普通锻造条件下锻坯的变形不均勻性，使接近砧子表面区域的难变形区变形增大并均勻化，且这种改善并不需要改变工具或者砧子的形状和尺寸，即可达到改善锻坯内部应力状态的目的；
三、有效改善大锻件整体性能，使整个锻件的缺陷得到有效锻合；
四、由于大型锻件的生产往往都是单件或小批量生产，设备利用率低，虽然增大设备吨位是保证获得良好性能大锻件的最有效手段，但在经济上是不合适的，根据本发明开发的锻造工艺，可以实现“小吨位高质量大件”，具有良好的经济性。
具体实施例方式以下结合实施例进一步说明本发明。众所周知，晶粒度的大小与性能密切相关，一般来说，晶粒度小，强度、韧性都比较好，晶粒大，强度、韧性性能较差，通过细化晶粒提高性能称为细晶强化，该方法是四种强化机制中唯一有利于提高韧性的强化手段。本发明中所述的“保温”应保温一定的时间，保温时间根据钢坯的材质和截面当量尺寸来确定，比如10吨的碳素钢钢坯在锻造温度下保温5小时15吨的的碳素钢就要保温 6小时；又如10吨的碳素钢钢坯在锻造温度下保温5小时，10吨的结构钢话就要保温6小时；因为这些是本领域的常识，所以本发明不作详细描述。以下所称“保留约x%的变形余量”是指再经过总变形量为x%的锻造后即可得到规定尺寸的锻件。实施例1用20CrMnMo连铸坯制造风电锻件，选用牌号为20CrMnMo的连铸坯，该连铸坯为圆柱形连铸坯，直径Φ ^ 600mm，其锻造工艺如下
(1)将20CrMnMo连铸坯装入天然气加热炉中进行加热，加热至1250°C，并在1250°C温度范围内保温6小时，升温速度彡IOO0C / h；
(2)采用风冷，使连铸坯表面温度降至700-800°C，心部仍然保持高温，内外温差达到 400-450°C时；在液压机上对加热后的连铸坯进行总变形程度为15%的中心压实锻造，得到钢坯；
(3)将钢坯装炉再次加热，加热至1250°C，并在1250°C温度范围内保温4小时，将钢坯在液压机上锻压成型，保留约10%的变形余量；
(4)待整个钢坯冷却至700°C、00°C时，装炉再次加热，以5(T10(TC/h的升温速度升温至1250°C，并在1250°C温度范围内保温不超过1小时，此时钢坯表面区域温度达到锻造温度，而心部温度仍然保持在700-80(TC，在液压机上对加热后的钢坯进行总变形量约为 10%的锻造，得到规定尺寸的锻件。经过上述锻造工艺得到的锻件，经超声波探伤检测，材料的内部缺陷得到了有效消除，完全能够达到相关的超声波探伤要求及晶粒度要求。与常规锻造工艺相比，合格率从 70%提高至95%，晶粒度达到3级及3级以上，抗拉强度达到600MPa，屈服强度达到450Mpa， 力学性能则完全满足要求。实施例2
制备一种大型风电轴类锻件，材质为20CrMnMO钢，标准十吨八角钢锭开坯，经超声波探伤检测，材料内部存在最大直径约为2mm的孔洞缺陷。其锻造工艺流程如下
(1)将20CrMnMo钢铸坯装入天然气加热炉中进行加热，加热至1250°C，并在1250°C温度范围内保温10小时，其中升温速度彡IOO0C / h ；
(2)采用风冷，使铸坯表面温度降至700-800°C，心部仍然保持高温，内外温差达到 400-450°C时；在液压机上对加热后的铸坯进行总变形量为20%的中心压实锻造，得到钢坯；
(3)待上述锻造后的整个钢坯冷却至700°C、00°C，装炉再次加热，以5(T10(TC/h的升温速度升温至1250°C，并在1250°C温度范围内保温不超过2小时，此时钢坯表面区域温度达到锻造温度，而心部温度仍然保持在700-800°C，在液压机上对加热后的钢坯进行总变形量约为10%的锻造；
(4)锻后装炉再次加热，升温至1100°C，并在1100°C温度范围内保温5小时，锻压成所需尺寸的锻件。经过上述锻造工艺得到的锻件，经超声波探伤检测，材料的内部缺陷得到了有效消除，完全能够达到相关的超声波探伤要求及晶粒度要求。与常规锻造工艺相比，探伤合格率从75%提高至93%，晶粒度达到3级及3级以上，抗拉强度达到550MPa，屈服强度达到 430Mpa，锻件经过热处理后力学性能完全满足要求。实施例3
一种大型轴类锻件，材质为34CrNiMoA合金钢，标准十吨八角钢锭开坯，经超声波探伤检测，材料内部存在最大直径约为2mm的孔洞缺陷。其锻造工艺流程如下
(1)将34CrNiMoA合金钢铸坯装入天然气加热炉中进行加热，加热至1250°C，并在1250°C温度范围内保温10小时，其中升温速度彡IOO0C / h ；
(2)采用风冷，使铸坯表面温度降至700-800°C，心部仍然保持高温，内外温差达到 400-450°C时；在液压机上对加热后的铸坯进行总变形量为10%的中心压实锻造；
(3)装炉再次加热，升温至1250°C，并在1250°C温度范围内保温6小时；在液压机上通过倒棱滚圆、拔长等工序锻压成型，保留约10%的变形余量；
(4)待上述锻造后的整个钢坯冷却至700°C、00°C后，装炉再次加热，以5(T10(TC/h 的升温速度升温至1250°C，并在1250°C温度范围内保温不超过2小时，此时钢坯表面区域温度达到锻造温度，而心部温度仍然保持在700-800°C，在液压机上对加热后的钢坯进行总变形量约为10%的锻造，得到所需尺寸的锻件。经过上述锻造工艺得到的锻件，经超声波探伤检测，材料的内部缺陷得到了有效消除，完全能够达到相关的超声波探伤要求及晶粒度要求；与常规锻造工艺相比，合格率从 60%提高至94%，晶粒度达到4级及4级以上，最终材料抗拉强度达到500MPa，屈服强度达到 300MPa,力学性能完全满足要求。实施例4
制备一种大型轴类锻件，材质为34CrNiMoA合金钢，标准十吨八角钢锭开坯，经超声波探伤检测，材料内部存在最大直径大于2mm的孔洞缺陷。其锻造工艺流程如下
(1)将34CrNiMoA合金钢铸坯装入天然气加热炉中进行加热，加热至800°C，于800°C 保温10小时，随后以5(T100°C /h的升温速度升温至1250°C，保温2小时，升温速度 (IOO0C / h ；此时钢坯表面区域温度达到锻造温度，而心部温度仍然保持在约700-800°C， 采用倒棱滚圆在液压机上对加热后的钢坯进行总变形量约为10%锻造，
(2)装炉加热，加热至1250°C，并在1250°C温度范围内保温6小时；
(3)采用风冷，使表面温度降至700-8000C，心部仍然保持高温，内外温差达到 400-450°C时；在液压机上对加热后的连铸坯进行总变形量为6%的中心压实锻造，得到钢坯；
(4)装炉加热，升温至锻造温度1100°C，并在1100°C温度范围内保温8小时后，在液压机上锻压成满足成品尺寸的锻件。经过上述锻造工艺得到的锻件，经超声波探伤检测，材料的内部缺陷得到了有效消除，完全能够达到相关的超声波探伤要求，与常规锻造工艺相比，合格率从60%提高至 95%，晶粒度达到3级及3级以上，最终材料抗拉强度达到500MPa，屈服强度达到300MPa，力学性能完全满足要求。
权利要求
1.一种大锻件的锻造方法，其特征在于包括如下步骤1)将铸坯或连铸坯加热至锻造温度，保温；2)冷却，使铸坯的表面温度降至700-800°C，心部仍然保持高温，内外温差达到 400-450°C时，对坯料进行总变形量为6 20%的中心压实锻造，得到钢坯；3)冷却，当整个钢坯的温度为700°C、00°C时，以5(TlO(TC/h的升温速度升温至锻造温度，保温、使钢坯表面区域温度达到锻造温度，而心部温度仍然保持在700-800°C，对钢坯进行总变形量为6 20%的锻造。
2.根据权利要求1所述的大锻件的锻造方法，其特征在于完成步骤2)后先升温至锻造温度、保温后锻压成型，随后进行步骤3)的锻造。
3.根据权利要求1所述的大锻件的锻造方法，其特征在于完成步骤3)后升温至锻造温度，保温后锻压成型。
4.根据权利要求1所述的大锻件的锻造方法，其特征在于所述步骤1)的升温速度彡 IOO0C / h。
5.根据权利要求1或2所述的大锻件的锻造方法，其特征在于步骤3)可置于步骤1) 和步骤2)之前。
全文摘要
本发明涉及一种大锻件的锻造方法，包括如下步骤1)将铸坯或连铸坯加热至锻造温度，保温；2)冷却，使铸坯的表面温度降至700-800℃，心部仍然保持高温，内外温差达到400-450℃时，对坯料进行总变形程度为6~20%的中心压实锻造，得到钢坯；3)冷却，当整个钢坯的温度为700℃~800℃时，以50~100℃/h的升温速度升温至锻造温度，保温、使钢坯表面区域温度达到锻造温度，而心部温度仍然保持在700-800℃，对钢坯进行总变形量为6~20%的锻造。该方法可以有效消除大锻件缺陷，提高大锻件的力学性能、表面和心部变形、组织和力学性能均匀性的大锻件的锻造方法。
文档编号B21J1/06GK102380565SQ201110365480
公开日2012年3月21日 申请日期2011年11月17日 优先权日2011年11月17日
发明者孔见, 李周, 杨志华, 葛艳明, 葛阿金, 袁志伟 申请人:江苏金源锻造股份有限公司