专利名称：有效压实锻造法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于自由锻造的有效压实锻造法。
钢锭，特别是大型钢锭，在其浇铸和凝固过程中，其中心部分不可避免地存在疏松、缩孔、气泡和微裂纹等空洞性缺陷，以及偏析、夹杂等固态缺陷。随着钢锭截面尺寸的增大，这些缺陷会更为严重，如果在锻造过程中不能充分消除这些缺陷，则将造成锻件报废，甚至会由于该锻件制成的另件破坏而酿成重大安全事故，如电站转子破坏和压力容器爆炸等等。将钢锭锻成锻件的锻造过程，可以分为变形和成形两大工步，变形工步包括镦粗和拔长(有的锻件可以不经过镦粗)，变形工步的作用是对钢锭原始组织结构的改变，使缺陷消除，以达到组织致密和提高质量;成形工步的作用是满足外观形状和尺寸的要求。
现有的锻造方法有1.中心压实法(JTS法。JTS是以Japan及两位作者名字的字首命名的)。日本在1966年6月的<塑性て加工>299～308页上介绍了一种用于大型钢锭锻造的方法，称为“JTS”法，我国称之为中心压实法。其技术特点为采用上窄砧和下平台的锻造方式(见
图1a)，将在高温下加热后的钢锭，人为冷却到表面温度至至750～800℃的状态，然后用上述工具锻造，每次压下量7～8%，按0→180°→90°→270°顺序锻造四个面(见图1b)。其基本构思为以温度较低的锻坯外壳来形成类似模锻的状态(见图1C)，以造成内部空洞性缺陷的三向压应力状态，并利用内部温度稍高的条件，容易变形，来消除缺陷，提高锻件质量。其不足之处是①所需压机吨位大;②操作复杂，需要人工对钢锭喷雾或鼓风冷却，且每次压下量不大，压机动作次数为上下平砧的两倍左右③增加锻造火次，即拔长成四面后，还须入炉重新加热，再换上下平砧，修整四面棱边，再继续进行拔长变形;④锻造工艺没有严格的临界条件或优化参数，如砧宽比范围、压下量大小、错砧位置和锻造温度范围，这几项参数缺乏系统的理论联系。
2.FM(freefromMannesmanneffect)锻造法。日本铸锻钢公司的中岛浩卫在1977年的第八届国际锻造师年会上提出FM锻造法，其特点是采用上平砧和下平台锻造方式拔长锻坯(见图2a)，其目的在于消除锻坯心部的轴向拉应力(Mannesmanneffect)，使内部空洞两向受压，认为对压合内部缺陷有利(见图2b)，实际使用结果，对压合内部空洞性缺陷的效果并不明显。其不足之处是①在相同的压机吨位时，不如采用砧宽比(W/H)较大的上下平砧对锻合钢锭心部缺陷有利;②由于上下工具的宽度不同，造成锻坯内部变形上下不对称，易使锻坯(锻件)轴心线成波浪形弯曲，因而，锻件制品的热稳定性差;③在相同砧宽比(W/H)时，压力消耗比上下平砧大20～30%;④每次压下量不大(10%左右)，操作次数为上下平砧的两倍左右;⑤对保证锻件质量无科学的临界条件，对工艺参数无详细规定，如砧宽比(W/H)使用范围、压下量范围、拔长最少趟数、错砧位置、锻造温度范围和最小临界锻比等。
3.平砧拔长及WHF(WideHeavybolWForging中国称之为“宽砧强压”)法。其特点为①上下砧对称(见图3)，锻坯内部变形对称，锻件性能容易均匀;②高温长时间扩散，锻造前，将钢锭在1280～1310℃长时间加热保温;③宽砧大压下量，砧宽比(W/H)有说是0.77，有说是0.8;压下量规定大于15%，目标20%。其不足之处是①砧宽比(W/H)值规定不科学，与内部缺陷的压合无定量联系，且无论是0.77，还是0.8，在锻造开始时，对于大型钢锭，都达不到;②压下量15～20%，也无科学定义，且无具体趟数要求;③没规定错砧位置，难以保证锻坯内部空洞性缺陷全部压合，因为在连续两砧交界处的锻坯中心存在小变形区;④对拔长锻造的最终锻造温度没有要求;⑤高温扩散的时机不合理，因为，钢锭在未经锻造变形前，内部疏松空隙较多，铸态组织及晶粒粗大，偏析、夹杂物未被破碎，且钢锭截面尺寸较大，原子扩散路径长，所以，扩散效果差，而且还浪费能源和降低高温炉的使用寿命;⑥对拔长时锻坯展宽或鼓肚率的计算，没有一个通用的与砧宽比(W/H)有关的公式;⑦没有一个能保证产品质量的通用临界锻造工艺条件，如最小锻比。
本发明的目的在于避免上述现有技术中的不足之处，而提供一种能有效压实的锻造方法，它能消除空洞性缺陷以保证锻件内部组织致密;能极大地改善偏析和夹杂物等固体型缺陷，使之经锻造破碎和高温扩散弥散化;并对扩散和减轻锻坯中有害气体也有利。
本发明的目的可以通过以下措施来达到对锻坯进行拔长锻造时①每趟拔长的压下量在20%～30%之间，最佳压下量为20%～25%，可根据情况在锻坯一个面上连续拔长2～3趟，再将锻坯翻转90°，但必须保持锻坯截面高宽比值小于2;②至少有6趟满足砧宽比(W/H)为0.51～0.9的拔长变形，W为所用平砧的送进宽度，H为锻坯压下前的高度;③在拔长结束时，锻坯心部的温度应大于1000℃，最佳为≥1050℃;④每重新拔长一趟之前应错砧1/3砧宽，即每趟的第一砧应按W0-2/3W0-W0的顺序循环(见图10)，W0为所用平砧的宽度。
本发明的目的还可以通过以下措施来达到①拔长结束，应将锻坯锻成扁方的截面入炉扩散，扁方的短轴尺寸为锻件最大截面尺寸的90～95%，扁方的长轴尺寸为短轴尺寸的1.4～1.5倍;②对锻坯进行拔长锻造时，每趟拔长的锻坯展宽量，按下式计算锻坯截面形状由矩形到矩形，△B＝△H〔0.6+1.4×10-4(W0-H)〕;锻坯截面由园形到矩形的头两趟，第一趟展宽量△B1＝0.473(W0/H)△H，第二趟△B2＝0.43(W0/H)△H。上三式中△B表示锻坯展宽量，W0为所用平砧宽，H为每压下前锻坯或钢锭截面高，W为拔长时实际进砧宽，W≈(0.75～0.85)W0，△H表示压下量，上述符号的单位均是m·m。
本发明相比现有技术具有如下优点本发明从理论和工艺上搞清楚了消除锻坯内部空洞性缺陷的机制、内在规律和外部条件，导出了临界变形条件，并且认为①无论采用何种锻造方法，只要达到这个临界条件，都能消除锻坯内部的空洞性缺陷;②空洞闭合时，三向压应力或两向压应力不是必要条件，而保证有一向压应变较大才是必要条件，如果空洞一向受压，另一向受拉(见图4a、4b)，反而对空洞的闭合有利，这一观点，纠正了现有技术(中心压实法和FM法)的不正确概念，找出了消除锻坯内部空洞性缺陷的规律;③在各种锻造方法中，在一定的砧宽比(W/H)条件下，上下平砧拔长可获得对称的、较大的锻坯心部变形，所需的压机吨位较小，操作简便。
1.相比中心压实法，本发明①所需压机吨位小，②操作简便，③锻造火次少。
2.相比FM锻造法，本发明①所需压机吨位小，②操作简便，③变形锻造时，锻坯轴心线不会出现波浪形弯曲。
3.相比宽砧强压(WHF)法，本发明修正了其在锻造前长时间高温扩散的不合理工艺，而改为在拔长后将锻坯锻成扁方截面入炉高温扩散。
本发明根据“有一向压应变较大是消除锻坯内部空洞性缺陷的必要条件”，推导出和规定了详细具体的工艺参数，这些参数是现有技术所不具备的，所以，制订出这些参数相比现有技术都具有优越性。
对锻坯进行拔长锻造时，①每趟拔长的压下量在20～30%之间，最佳压下量为20%～25%。每面可拔长一次、两次或三次，再翻转90°，但必须保证锻坯翻转后的高宽比小于2。这种规定与砧宽比(W/H)规定相关，既要保证足够的趟数，又使得操作方式灵活;②至少有6趟满足砧宽比(W/H)为0.51～0.9的拔长变形，这种规定是从本发明所依据的原理出发的，比现有技术笼统地提出砧宽比0.5～0.8或0.6～0.7要好，因为，在实际的锻造生产中，不可能每一趟都达到规定的砧宽比，但在全部趟数中，只要有其中的6趟就行。哪怕开始几趟达不到，后来几趟超过，都无所谓;③在拔长结束时，锻坯心部的温度应大于1000℃，最佳为≥1050℃，这是为了保证锻坯内部空洞性缺陷被压合后，并能在高温下通过原子扩散以迅速焊合的必要条件，否则，如温度太低，空洞性缺陷只是被压扁了，但并未消除，一遇上拉应力，又会重新扩张。这个温度条件，是现有技术未提出过的;④每重新拔长一趟之前，应错砧1/3砧宽，这是从本发明的临界锻造原理出发的，能保证锻坯心部空洞性缺陷全部压合和消除，现有技术中，或者未予提出，或者是提过错砧1/2砧宽，这些都不科学;⑤拔长结束，应将锻坯锻成扁方截面入炉扩散，这条规定修正了“WHF”法锻造前长时间高温扩散的不合理工艺，达到节省能源、延长加热炉使用寿命和提高扩散作用的效果;⑥给出了计算锻坯每趟锻造后横截面材料展宽值的通用公式，这是现有技术所没有的，有了这个计算公式，可准确地计算出总的拔长趟数，并可判别是否满足了本发明的工艺准则。
附图的图面说明如下图1a为中心压实(JTS)法采用上窄砧和下平台的锻造示意图，左图为正视图，右图为侧视图;图1b为对钢锭进行四面压下后的锻坯截面图;图1c为中心压实法的基本构思图。
图2a为FM法采用上平砧和下平台的拔长示意图;图2b为FM法消除锻坯心部轴向拉应力的示意图。
图3为上下平砧锻造方式的拔长示意图。
图4a为锻坯内部空洞一向受压和另一向受拉的示意图，图4b为空洞闭合的示意图。
图5为本发明实施例的钢锭外形图;
图6为本发明实施例的锻件外形图;
图7为本发明实施例的锻坯镦粗图;
图8为本发明实施例采用上下平砧对锻坯进行拔长操作的示意图，左图为正视图，右图为侧视图;
图9为本发明实施例走扁方拔长至截面为1140×840m·m的锻坯图;
图10为本发明所规定的每趟拔长压下第一砧时的错砧位置示意图;
图11为锻坯截面的鼓肚计算示意图，上图为园形到矩形;
图12为本发明实施例对锻坯进行压八方、卡台、精整和成形的操作示意图。
本发明下面将结合实施例作进一步详述实施例在6000吨自由锻造水压机上，将45吨的八棱钢锭见图5，锻成23.4吨的阶梯状轴类锻件见图6，图6中锻件尺寸中间段为φ880×3210m·m，两端分别为φ460×1950m·m，φ450×2250m·m，锻件净长为8990m·m。该锻件分三火锻成。
第一火。出炉温度1220℃±20℃，出炉后进行压把、倒棱和切底三步，工艺过程和要求与现有技术相同;
第二火。出炉温度为1270±20℃，出炉后先镦粗至φ1950m·m见图7，然后用900m·m宽的上下平砧进行拔长见图8，走扁方拔长至截面高1140m·m，宽840m·m见图9，最后入炉。拔长压下的程序见下表。
每趟拔长前应错砧1/3砧宽见图10。
拔长结束时，锻坯心部温度应为1000～1200℃范围。
锻坯截面鼓肚情况见图11，鼓肚量计算式如下镦粗后从圆截面开始拔长，头两趟鼓肚率为α1＝0.473(W/H)α2＝0.43(W/H)从第三趟开始，以后按从矩形至矩形截面变化。
α＝0.6+1.4×10-4(W-H)注意如在拔长结束时发现裂纹或折叠，应先吹氧烧剥，待去除缺陷后再入炉。
第三火。出炉温度1200℃±10℃，出炉后压八方、卡台、精卡台成形见图12，可以用600m·m宽的上下平砧。
若此火不成，可再入炉，加热温度为1050℃。
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权利要求
1.一种有效压实锻造法，其特征在于，在拔长锻造时，①每趟拔长的压下量在20～30%之间，②至少有6趟满足砧宽比为0.51～0.9；③拔长结束时，锻坯心部的温度应大于1000℃，④每重新拔长一趟之前，应错砧 1/3 砧宽。
2.根据权利要求1所述的有效压实锻造法，其特征在于可根据情况在锻坯一个面上连续拔长2～3趟，再翻转90°，但必须保持锻坯截面高宽比值小于2。
3.根据权利要求1所述的有效压实锻造法，其特征在于拔长结束时，将锻坯锻成扁方截面入炉扩散，扁方短轴尺寸为锻件最大截面尺寸的90～95%，扁方长轴尺寸为短轴为1.4～1.5倍。
4.根据权利要求1所述的有效压实锻造法，其特征在于每趟拔长时的锻坯展宽量按下式计算，锻坯截面形状由矩形到矩形，△B＝△H〔0.6+1.4×10-4(W0-H)〕，锻坯截面形状由园形到矩形的头两趟，第一趟展宽量△B1＝0.473(W0/H)△H第二趟展宽量△B2＝0.43(W0/H)△H。
全文摘要
一种用于自由锻造的有效压实锻造法。它能消除空洞性缺陷；能改善偏析和夹杂物等缺陷；有利于扩散和减轻锻坯中的有害气体。其特征是在拔长锻造时，每趟拔长的压下量在20～30％之间；至少有6趟满足砧宽比值为0.51～0.9的拔长变形；拔长结束时锻坯心部的温度应大于1000℃；每重新拔长一趟之前，应错砧1/3砧宽；拔长结束，应将锻坯锻成扁方截面入炉扩散。
文档编号B21J1/04GK1036348SQ8810696
公开日1989年10月18日 申请日期1988年10月7日 优先权日1988年10月7日
发明者任猛, 王祖唐, 刘庄 申请人:北京重型机器厂