一种开坯的锻造方法与流程

所属领域

本发明涉及一种锻造工艺技术，属于大型锻件开坯的锻造技术领域。

背景技术：

核电以及火电重型设备中应用到的的大型饼类锻件一般体积较大，成形困难而且生产成本较高。例如用于核反应堆中心筒支撑端板，蒸发器管板以及大型封头等主要部件。它们长期处于高温、高压、高放射的恶劣环境中，且承受着高流速介质所带来的的交变载荷冲击，造成疲劳损伤，影响整体发电机组的安全系数。因此，恶劣的工作环境对大型饼类锻件的综合机械性能提出了极高的要求。在钢铁冶炼过程中不可避免的会存在缩松、缩孔、夹杂等缺陷，因此在锻造过程中，通过开坯锻造来消除钢锭的内部缺陷，提高大型锻件的综合质量。

开坯锻造是自由锻造中重要的工序，主要分为镦粗和拔长两个工艺过程，在镦粗过程中，一般采用平砧对大型钢锭进行镦粗，在平砧镦粗过程中，钢锭的上下端面附近存在难变形区域，一方面由于工具与钢锭接触的上下端面存在较大的摩擦力，坯料难易变形；另一方面由于工具与钢锭的温度差较大，温度下降快，变形抗力大。此难变形区域的铸态组织不易碎裂和再结晶，内部缺陷不能消除，降低锻件的综合力学性能，严重影响其寿命。当压下量较大时，上下难变形区域发生刚性接触，可产生沿径向方向的剪切裂纹，导致锻件报废。

镦粗结束后需要更换窄平砧进行拔长，在锻件的拔长过程中，需要窄平砧连续的进行局部施压载荷，通过轴向的变形累计而达到目标长度。在开坯过程中需要反复进行墩拔，在此过程中需要反复跟换上平砧，工艺较为繁琐。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是提供一种开坯的锻造方法，消除锻件内部粗大的铸态组织，改善夹杂物的分布，提高锻件在成形过程中的变形均匀程度，增加锻件的成品率。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种开坯的锻造方法，该方法包括如下步骤：

步骤:1：加热锻件，根据材料的热导率，以及比热容的变化，制定加热锻件的工艺，保证锻件心部锻熟，以提高锻件的塑性，降低锻件的变形抗力；

步骤2：将坯料开坯锻造，具体分镦粗和拔长过程，以提高锻件的整体均匀程度，消除难变形区域；当镦粗结束时，用大型抱钳将圆柱锥台砧移走，使用窄平砧进行端面整平，在端面整平过程中，选取外缘旋转锻造方法整平端面；

步骤3:回炉加热锻件：当锻件温度低于800℃时，停止锻造，回炉加热；

步骤4：成形，将钢锭锻至目标锻件形状；

步骤5:锻后对锻件进行热处理。

其中：

所述的加热锻件的工艺为：装炉温度为600℃～650℃，在此温度下保温1～2个小时；以40℃/h～60℃/h的加热速度加热至800℃～900℃，并在此温度下保温1～2小时；以70℃～90℃/h的加热速度加热至1200℃～1250℃，在此温度下保温1～2小时，使其均匀热透。

所述步骤2中的将锻件开坯锻造的方法为：

步骤21：在锥台砧镦粗过程中，首先将锻件沿轴向镦粗，整体锻造比为2.0～2.5。锥台砧的下压速度为40mm/s～60mm/s，在锥台砧下压量最大时，即压下率为50％～60％时，保压5min～10min，延长上下应变核心的接触时间；镦粗时，上下锥台砧预热至250℃～300℃，避免上下锥台砧接触的锻件部分因温度降低过快而产生的温度应力；上下锥台砧与锻件端面接触的部分铺满玻璃粉，以减少上下接触面的摩擦力，降低难变形区域范围，提高镦粗的均匀变形程度，

步骤22：当锥台砧镦粗结束时，用大型抱钳将圆柱锥台砧移走，使用窄平砧进行端面整平，在端面整平过程中，选取外缘旋转锻造方法整平端面，

第一个工步，使用窄平砧下压100mm～150mm，第二工步，旋转窄平砧72°～90°，继续下压100mm～150mm。重复第二工步。外缘旋转锻造方法中每个工步旋转72°～90°，共5个工步。需要压平上下2个端面，在旋转压平上端面时，保证下砧为锥台砧，防止在端平上端面过程中，坯料心部产生拉应力，当上端面压平之后，将锻件翻转放在平整的工作台面上，重复上端面压平5个工步，继续旋转压平；

步骤23：将锻件沿径向方向竖直，同时沿径向方向镦粗，将锻件锻成长方体，

步骤24：将锻件轴向拔长：拔长的相对送进量l/h取0.7～0.8，其中l为上砧的送进量，h为长方体锻件的高度，上砧的下压率为25％～30％，拔长完一趟将坯料沿轴向旋转80°～100°，在拔长，镦拔次数至少2次，直至拔长至预定尺寸，

步骤25：长方形锻件倒棱为八面棱体，重复上述镦粗拔长过程，完成锻件的开坯过程，步骤3：回炉加热：以40℃/h～60℃/h的加热速度加热至800℃～900℃，并在此温度下保温1～2小时；以70℃/h～90℃/h的加热速度加热至1200℃～1250℃，在此温度下保温1～2小时，使其均匀热透。

所述的锥台砧镦粗中，上砧由窄平砧和锥台砧组成，下砧为锥台砧；窄平砧下部带有燕尾造型，与锥台砧上部的燕尾槽相配对。

所述的窄平砧高度为h1＝1000～1200mm，下端燕尾造型高度为h2＝150～250mm，上端宽度为b1＝1000～1200mm，底部宽度为b＝1100～1300mm。

所述的上砧的上端为圆柱体，上端面带有燕尾槽，下部为锥台，两者为一体；其中，圆柱体高度为h3＝300～500mm，直径为d1＝1800～2500mm，其中燕尾槽与锻造设备连接，间隙不超过1mm，下部锥台倾角为θ＝15°～20°，其中锥台面直径为d2＝200～400mm。

所述的外缘旋转锻造方法整平端面，其步骤为：第一个工步，使用窄平砧下压100mm～150mm；第二工步，旋转窄平砧72～90°，继续下压100mm～150mm；重复第二工步；外缘旋转锻造方法中每个工步旋转72°～90°；需要压平上下2个端面；在旋转压平上端面时，保证下砧为锥台砧，防止在端平上端面过程中，坯料心部产生拉应力，当上端面压平之后，将锻件翻转放在平整的工作台面上，重复上端面压平5个工步，继续旋转压平。

所述的步骤5中锻后对锻件进行热处理的方法为：锻造完成后，将锻件依次进行正货、低温退火处理，首先将锻件加热至800℃～900℃，保温10～12小时，将锻件取出进行空冷，冷却至250℃～300℃，重新缓慢加热至550℃～600℃，随炉冷却。

有益效果：本发明采用分段加热规范，确保锻件均匀热锻。根据端面尺寸确定锻件的装炉温度和保温时间。根据材料的热导率，以及比热容的变化，使锻件的塑性得以提高，降低锻件的变形抗力；

本发明为了消除开坯过程中的难变形区域，确定了锻件的开坯过程，主要分为锥台砧镦粗过程、窄平砧端面整平过程和窄平砧拔长过程。一方面保证金属纤维组织的连续性，减少锻件难变形区域，改善端面变形情况；另一方面通过延长上下应变核心的接触时间，增大心部的应变协调性，提高锻件心部的应变均匀程度，降低心部出现裂纹的可能性，降低侧表面的切向应力和设备载荷。

本发明采用组合式开坯工具，实现了镦粗、拔长工序快速切换，减少开坯锻造时所需火次，降低锻造成本，提高生产效率。

附图说明

图1为窄平砧的主视图和左视图。

图2为上锥台砧的主视图和俯视图。

图3为下锥台砧的主视图。

图4为开坯预镦粗的工艺流程图。

具体实施方式

步骤:1：加热锻件，根据材料的热导率，以及比热容的变化，制定合适的加热工艺，保证锻件心部锻熟，以提高锻件的塑性，降低锻件的变形抗力；

步骤2：将坯料开坯锻造，具体分镦粗和拔长过程，以提高锻件的整体均匀程度，消除难变形区域；

步骤3:回炉加热锻件：当锻件温度低于800℃时，停止锻造，回炉加热；

步骤4：成形，将钢锭锻至目标锻件形状；

步骤5:锻后对锻件进行热处理。

优选的，步骤1中所述的加热锻件的工艺为：装炉温度为600℃～650℃，在此温度下保温1～2个小时；以40℃/h～60℃/h的加热速度加热至800℃～900℃，并在此温度下保温1～2小时；以70℃～90℃/h的加热速度加热至1200℃～1250℃，在此温度下保温1～2小时，使其均匀热透。

优选的，步骤2中将锻件开坯锻造的方法为：

步骤21：在锥台砧镦粗过程中，首先将锻件沿轴向镦粗，整体锻造比为2.0～2.5。锥台砧的下压速度为60(mm/s)，在锥台砧下压量最大时，即压下率为60％时，保压5min，延长上下应变核心的接触时间。镦粗时，上下锥台砧预热至300℃，避免上下锥台砧接触的锻件部分因温度降低过快而产生的温度应力；上下锥台砧与锻件端面接触的部分铺满玻璃粉，以减少上下接触面的摩擦力，降低难变形区域范围，提高镦粗的均匀变形程度。

优选的，步骤21中的锥台砧镦粗中上砧由窄平砧和锥台砧组成，下砧为锥台砧。附图1是窄平砧的示意图，窄平砧底部带有燕尾造型，与锥台砧顶部的燕尾槽相配对。窄平砧高度为h1，取1000～1200mm，下端燕尾造型高度为h2，可取150～250mm，上端宽度为b1，可取1000～1200mm，底部宽度为b2，可取1100～1300mm；附图2为上锥台砧示意图。上端为圆柱体，上端面带有燕尾槽，下部为锥台，两者为一体。其中，圆柱体高度为h3，可取300～500mm，直径为d1，可取1800～2500mm。其中燕尾槽与燕尾组合，间隙不超过1mm。下部锥台倾角为θ，可取15°～20°。其中锥台面直径为d2，可取200～400mm。附图3为下锥台砧，形状与上锥台砧相似，无燕尾槽。

步骤22：当锥台砧镦粗结束时，用大型抱钳将圆柱锥台砧移走，使用窄平砧进行端面整平。在端面整平过程中，选取外缘旋转锻造方法整平端面。第一个工步，使用窄平砧下压100mm～150mm。第二工步，旋转窄平砧72°，继续下压100mm～150mm。重复第二工步。外缘旋转锻造方法中每个工步旋转72°，共5个工步。需要压平上下2个端面。在旋转压平上端面时，保证下砧为锥台砧，防止在端平上端面过程中，坯料心部产生拉应力。当上端面压平之后，将锻件翻转放在平整的工作台面上，重复上端面压平5个工步，继续旋转压平。

步骤23：将锻件沿径向方向竖直，同时沿径向方向镦粗，将锻件锻成长方体。

步骤24：将锻件轴向拔长：拔长的相对送进量l/h取0.7～0.8，其中l为上砧的送进量，h为长方体锻件的高度。上砧的下压率为25％～30％，拔长完一趟将坯料沿轴向旋转90°，在拔长。镦拔次数至少2次，直至拔长至预定尺寸。

步骤25：长方形锻件倒棱为八面棱体，重复上述镦粗拔长过程。完成锻件的开坯过程。

优选的，步骤3：回炉加热：以40℃/h～60℃/h的加热速度加热至800℃～900℃，并在此温度下保温1～2小时；以70℃/h～90℃/h的加热速度加热至1200℃～1250℃，在此温度下保温1～2小时，使其均匀热透。

步骤4：成形，将钢锭锻至目标锻件形状；

优选的，热处理的方法为：锻造完成后，将锻件依次进行正货、低温退火处理，首先将锻件加热至800℃～900℃，保温10～12小时，将锻件取出进行空冷，冷却至250℃～300℃，重新缓慢加热至550℃～600℃，随炉冷却。