大锻件 第7部分 大型锻件的特殊锻造方法

1、第七部分 大型锻件的特殊锻造方法大型锻件锻造的目的之一,在于通过压力将钢锭凝固过程中形成的疏松、空洞等缺陷锻合。近年来,由于石油、化工、电力等领域的需求,锻件尺寸越来越大,相应的钢锭规格也越来越大型化,且远远超过锻造设备大型化的进程。如何利用现有设备能力通过工具和锻造方法的改进实现上述目的即成为新的课题。另外,钢锭内部的缺陷集中在其心部,希望通过特殊的工具形状在心部形成较大变形,并形成大的静水应力。因而出现了一系列新的锻造方法。一. FM 锻造法1. 概念z Free From Mannesmann effect避免产生“曼内斯曼”效应,即心部不产生轴向拉应力的锻造方法。 z 不对称的上下砧,

2、上为普通平砧,下为大平台。 2. 机理z 普通平砧对称拔长时沿高度方向的轴向应力分布5.0/=h w %20=h 时的等效应变和静水应力分布。见下图,a 为等效应变,b 为静水应力/m 。由图可见: 沿高度方向轴向变形分布:变形以轴向中心线上、下对称砧下-微小变形区过渡区-较大变形区中心-较大变形区。沿高度方向轴向应力分布:应力以轴向中心线上、下对称砧下-大静水应力过渡区-小静水应力中心-静水应力为正值,轴向、横向均为拉应力。缺陷集中的中心区应变强度不大,且存在较大轴向拉应力(平均应力为正,即存在Mannesmann effect ,易使缺陷扩展。若要不出现拉应力,则需加大砧宽至9.08.0/

3、=h w ,但所需压力很大,对于大钢锭很难用现有的压机实现。z FM 锻造法原理上下砧不对称,上小下大(见图。锻造力(主作用力的作用面积沿高度方向逐步增大,垂直应力,即主应的绝对值逐渐减小,因此上部金属容易满足屈服条件。这必将导致上部金力3属先变形,且变形量大,下部金属后变形,且变形量小或不变形的结果。上砧下为刚性区,其轴向变形小于中部。下砧上亦为难变形区,沿轴向的变形更小或完全不变形,于是形成了轴向变形上部较小,下部极小,中部轴心区很大的分布(图。因中部金属沿轴向或横向的流动必然受到下部金属的牵制,轴心部为轴向压应力,下部为轴向拉应力(图。 沿高度方向轴向变形分布:变形以轴向中心线上、下不对

4、称上砧下-较小变形中心线-大变形下平台上-微小变形或不变形。沿高度方向轴向应力分布:应力以轴向中心线上、下不对称上砧下-微小拉应力中心线-压应力下平台上-拉应力。相对于普通平砧拔长,因轴向拉应力层下移至缺陷较少的钢锭外层(图,有利于孔洞缺陷焊合。z实验验证用网格法对试件进行变形实验。采用多种砧宽比和不同的压下量组合。当砧宽比5.0/=h w ,压下率%21=h 时,轴向应变分布见图。图中显示,上部应变较小,中部大,下部微小。上下部的马鞍型分布为砧下难变形区的影响。 缺陷孔洞的焊合结果及于普通平砧的比较见照片。全部实验结果见下表。 z 当砧宽比取6.0/3.0h w 时,不出现曼内斯曼效应。所需

5、压机载荷是同参数(h h w ,/普通平砧拔长的1.4倍。但若在同参数下使同尺寸孔洞闭合,FM 法所需压机载荷小。 z 当 6.0/h w 时,FM 法与普通平砧拔长区别不很大。z 适于在小进给量下拔长大型钢锭,以解决压机能力不足的问题。 z 较佳参数匹配:6.0/=h w %1514=h 7.0/=h w %22=h (压机可提供大压力z 采用180°翻转,双面等压下量,以防止因上下不对称变形导致中心线偏移。z 采用180°翻转,错半砧工艺,当6.0/=h w ,心部H/5区域内孔洞完全闭合的临界压下量(双面为22.5%,临界锻比约为1.5。使孔洞闭合的临界等效应变为0.

6、35。z 我国在生产中已采用。德国梯森·亨利希公司1981年即用435吨锭,以FM 法5火拔长锻出直径为1849、粗加工重量为200吨的发电机轴。3. 对FM 锻造法的发展无横向拉应力锻造法z FM 锻造中,在无轴向拉应力的条件下,仍可能存在横向拉应力。 z 引入新的工艺参数料宽比h b /=z 较小时,由于沿高度方向的横向(展宽变形不均匀,心部变形较小, 在心部将产生横向拉应力。z 当双面%22=h ,48.042.0/=h w ,2.183.0/=h b 时,可保证心部处于 三向压应力状态。非对称锻造,易造成锻件中心偏移,缺陷难以通过打中心孔等方法去除。二. 中心压实(JTS 锻

7、造法1. 概念z 1958年由日本(Japan 制钢所室兰工厂的馆野万吉(Tateno 和鹿野昭一(Shikano发明。z用喷雾或吹风使坯料表面冷却,在表面和心部形成温差,利用内外不同的变形抗力在表面施压,使变形集中于心部的缺陷锻合方法。 z又称:硬壳锻造法,降温锻造法。z工艺要点将钢锭首先锻成方坯。方坯的加热温度应比一般锻造时的始端温度略高。充分均温热透,尽量提高心部温度。出炉后,在水压机上吹风或喷雾冷却,使锻坯内外温差达到250°350°C。采用上窄砧、下平台。上砧长度方向与坯料轴线一致。上砧宽度小于坯料宽度(图。既可有效减少坯料伸长,又可避免压住两侧的低温立边,集中施

8、力于中心。 由冒口端至水口端顺序压下。翻转90°再用同样的方法压另一面。直至将坯料压成图示断面形状。将图示断面锻成八方。JTS工艺结束。z原理要点外层温度低,心部温度高,外层变形抗力大,心部变形抗力小。形成一个用硬壳包裹的高温金属(图,这部分金属恰为缺陷集中的钢锭心部。用宽度小于坯料宽度的窄砧顺坯料方向压下,其变形集中于心部(图。由于心部周围全部是“硬壳”,必然为三向压应力状态。 该方法使锻件心部在高温、三向压应力状态下获得充分、均匀的大变形。比较理想地同时满足了孔洞焊合的三个条件。因此,孔洞缺陷焊合效果良好。z实验用87吨34CrNi3Mo钢锭做JTS工艺实验。先将钢锭锻成1260

9、*1260mm方坯。加热后表面降温至750°C。用上窄砧、下平台实施JTS工艺。用超声探伤检测10个缺陷的尺寸和分布。比较中心压实前后缺陷的变化情况。单边压下量为10%。检测结果见下表。由表可见,4、6、7疏松全部压实。1为疏松区,缺陷较多,压实后仅余5个。9为纯夹杂性缺陷,无法改变。其余各检测区的缺陷引有夹杂存在,不可能完全闭合,但尺寸均大幅缩小。实验表明:JTS 法对于疏松型或夹杂疏松型缺陷确有明显的压实效果。JTS 法对夹杂型缺陷无能为力,要求钢锭必须具有良好的冶金质量。 JTS 法的锻透效果是其它锻造方法难以达到的,可显著提高转子等高级锻件的成品率。本实验中的锻比为y=2.4

10、4,用如此小的锻比锻出合格的转子,说明JTS 法的缺陷锻合效果不仅优于其它锻造方法,而且横向性能也可得到保证,可省去镦粗工序。 3. 工艺参数z 压下量h :单面压下=h 10%13%,最佳值为13%。双面压下,单侧%8%7=h 。z 内外温差250°350°C ,最佳值为230°-270°C。z 上砧宽度为坯料宽度的55%70%。z 上砧长高比为7.0/00=H B 。z 上砧应有足够大的圆角,或做成斜面(图,防止锻八方时折叠, 4. 工艺特点z 能以小锻比达到普通锻造法高锻比才能达到的效果。锻制大型电站转子需三次镦粗、三次以上的拔长,总锻比达7.0以

11、上。用JTS 法可不镦粗,总锻比仅23。有效降低了压机负荷及锻造火次。z因上砧长度方向与坯料轴向一致,坯料的伸长变形不大,变形的方向性不强,虽然不镦粗,其切向性能仍可达到要求。各项异性轻微。z变形对称性较好,锻件中心线与钢锭中心线基本重合,钢锭中心区的夹杂可通过打中心孔去除。z压下量小。当JTS法的压下量为14%16%时,其压实效果与上、下平砧锻造时的18%20%及上、下窄砧锻造时的21%23%相当。z我国应用JTS后,转子等重要锻件的成品率由60%提高到92%。见下表。 z生产中已普遍采用,并已与其它锻造方法联合使用。日本已用该方法锻造50吨以上钢锭300个。我国也在转子等重要锻件中普遍采用

12、。喷雾降温,工作条件和环境较差。JTS法需要数套专用砧子,投资较大。三. WHF(宽砧强力压下锻造法z上下宽平砧,砧宽大。z大压下量压下。z砧下刚性区大,轴心部变形量大且变形均匀,锻透性好(图。 z 因心部变形大,周围变形小,心部的轴向和横向应力均为压应力,提高了心部的三向压应力水平。具备了高温、大变形和三向压应力的孔洞焊合热力学条件。z 有利于心部缺陷锻合。z 砧宽比 9.068.0/=h w 。z 压下量 %25%20=h 。z 心部孔洞沿“圆-椭圆-缝-线”的规律逐渐闭合。z 应用WHF 法拔长,只有在77.068.0/=h w ,压下量为%20=h 时,才可有效锻合内部的孔洞缺陷。z

13、砧的两侧外缘有30%区域的孔洞不能闭合。满砧送进时,需在两砧间保持10%的搭接量,以减少边缘的不闭合区。z 需采用错半砧锻造方法。每遍拔长有效砧宽需覆盖全长。只有这样,才能将H/5范围内的孔洞缺陷锻合。z 同普通平砧锻造相比较,WHF 法因需大砧宽和大压下量,因此需要更大的压力,即需要更大参数的水压机。其使用受到限制。z 宽砧锻造导致拔长中展宽过大,拔长效率低。日本制钢所(JSW 用WHF 法及500吨钢锭成功锻造出了2400的最大支撑辊. 我国的第一, 第二重机厂将 WHF 法与其他特殊锻造方法联合应用锻造出了, 600MW 汽轮机低压转子. 目前 WHF 法已成为重点大锻件生产企业常用和必

14、用的方法之一. 四,其它特殊锻造方法 1.KD 锻造法 第一种重机厂 1966 年提出.是用高温扩散加热, "上平下 V"宽砧,大压下 量拔长圆坯的方法. . 1975 年改用"上下 V 砧" 高温扩散加热使锻件具有很好的塑性. "上下 V 砧"可提高锻件表面的塑性. 因砧宽大,心部轴向变形大于砧下区的轴向变形,心部轴向为压应力. "上 下 V 砧"增加了轴心部其它两向的压应力水平.是较理想的三向压应力状 态. "上下 V 砧"使中心变形区增大,变形均匀.综合前两条及高温条件,表 明 KD 法使

15、中心区具备了孔洞缺陷焊合的三个热力学条件.有利于孔洞缺 陷焊合. 当 w / D = 0.6 时,临界拔长压下量为 h = 14.6% ,此时可完全锻合 D/5 范围 内的孔洞缺陷.达到同样的效果,砧宽比和压下量均小于 WHF 法. 与 WHF 法相比,KD 法展宽变形极小,拔长效率比 WHF 法高 1.3 倍. 不会产生中心偏移现象. V 型砧的最佳角度为 135°. 与 WHF 法相比,KD 法所需的压机吨位大. 11 一重已用 KD 法成功锻造了多种转子,轧辊.已与 FM 等其它锻造法联合 使用. 2. TER 锻造法 上世纪 70 年代, 由德国梯森 亨利希公司提出. 称之为

16、 "梯森极限矩形法" . 采用上宽平砧,在一个方向以大于 30%的压下量拔长.再用小于 50%的相 对压下量,采用错砧工艺反复拔长,使坯料内部产生最大的变形,并使内部 疏松,孔洞充分锻合. 翻转 90°继续拔长,使宽高比 b / h 2.0 . TER 法的锻比一般应为 2.03.0,特殊情况(探伤要求特别严格可大于 3.0. TER 法锻造时间短,火次少,燃料消耗少,成本较低. 梯森亨利希公司将 TER 法和 FM 法并用,成功锻造了 210 吨大钢锭,取得 了满意效果. 3. SUF 锻造法 1981 年由 JSW 提出,是 Side Upset Forgin

17、g 的缩写. 利用调整砧宽比 w / h 可锻合内部疏松, 孔洞的性质, 将坯料高度充分减小, 12 并锻成矩形断面的方法. 用宽平砧将坯料充分压扁(图 ,增加材料在轴心处流动区域的宽度 A,增 大心部的变形.因此,更易锻合心部的疏松,孔洞. 实验表明:用 SUF 法,当 w / h =0.52 时即可达到疏松孔洞锻合的目的. 用 SUF 法锻造大型钢锭的实例及其检验结果见下表. 锻造工序简单,火次少,可降低成本 14%. 1981 年,JSW 首次用 SUF 法将 250 吨钢锭锻成1720 的转子锻件.1987 年又将 SUF 法与 WHF, JTS 法联合应用, 600 吨级钢锭锻出了目前世界 用 最大的2800 转子锻件,重量达 325 吨. 4.AVO 锻造法 由日本提出,是 Asymmetrc V-shaped Octagon 的缩写. AVO 法是用不对称的上下砧拔长八角形坯料的