大锻件锻造方法综述

大型铸锻件

HEAVY CASTING AND FORGING

1999年 第1期 No.1 1999

大锻件锻造方法综述

辛向阳　刘方红　邓蜀宁

摘　要　本文介绍了当前常用的大锻件锻造方法，并对这些方法的优缺点作了详细的比较和评述。

关键词　大锻件　锻造方法　等效应变

1　前言

近几十年以来，世界工业的发展大大的刺激了电力设备、石化设备、冶金设备、造船设备等方面的迅速发展，因而对大型锻件，如发电机转子、护环，大型汽轮机主轴、叶轮，水轮机大轴，轧机支承辊、工作辊，船用大型曲轴，化工、核电用大型高温高压容器，大型模块等的需求日益增加，并且对质量的要求也日益提高。由于这些大型锻件的重量、尺寸不断地增大，使制造这些锻件的钢锭尺寸和重量都越来越大，目前国外锻造用钢锭重量已发展到日本280t～600t，美国350t～370t，德国250t～430t。我国最大的锻造钢锭是260t钢锭。如此大的钢锭和极高的质量要求给锻造业提出了新的课题。

钢锭在凝固过程中，中心区不可避免地存在着缩孔和密集性疏松等缺陷。随着钢锭吨位和截面积的增加，与金属结晶过程有关的缺陷，如非金属夹杂、偏析、疏松组织、缩孔等越明显。因此为了完全消除钢锭内部缺陷、提高锻件质量，除了应配备足够能力的锻压设备处，还需要选择适当的锻造方法。

为了达到破碎钢锭的铸态组织、锻合钢锭内部的疏松、孔穴等缺陷的目的，必须具备以下的基本条件：有足够大的变形程度或局部锻比；缺陷周围为负的静水压力状态；高的锻造温度和一定的保压时间；孔隙表面未被氧化，不存在非金属夹杂。同时为了提高锻件综合力学性能，也需采用适宜的锻造方法。

2　大锻件锻造方法详述

2.1　镦粗

圆柱坯料镦粗时的变形分布如图1所示。

图1　圆柱坯料镦粗时的变形分布

εh-高度变形程度　εr-径向变形程度

Ⅰ-难变形区　Ⅱ-大变形区　Ⅲ-小变形区

传统观念认为：镦粗是锻合锻件内部孔穴、疏松和提高锻件切向性能，减小锻件性能的各向异性，提高锻件质量的重要手段，单纯的拔长无助于这些缺陷的消除。然而，目前钢锭尺寸、重量的增大，使水压机在空间和压力上受到限制，加之对镦粗作用的研究不断深入，发现镦粗对焊合钢锭内部孔穴和疏松的效果不大，并且变形主要集中在钢锭的上下两端附近，变形极不均匀，还易导致坯料的侧表面在变形过程中开裂。虽然生产上人们采用凹形坯料或采用V(圆)型砧、软金属垫、坯料重叠等方法来消除上述不足，但操作复杂，影响生产率，且效果也不明显。在坯料锻比不足时仍保留镦粗工序。

2.2　型砧拔长

为了有效地锻合大型钢锭内部的疏松组织和孔穴性缺陷，提高拔长效率，防止心部开裂和表面侧裂，我国和世界上一些国家对型砧锻造进行了大量的实验和生产研究，认为该法能使钢锭心部获得较大的静水压和变形量，有利于消除中心区的孔穴，增强心部塑性和锻造性。型砧按其几何形状可分为上下V型砧，圆弧形砧、椭圆形砧及上平下V组合型砧等几种。其拔长的特点是：利用型砧两侧壁的作用，来限制金属的展宽。

目前研究一致认为：

(1)使用型砧比平砧应力状态好，可使钢锭内部产生强烈的三向压应力，如图2所示。

图2　不同拔长方法的压下力与钢坯

中心部位静水压应力关系

1-平砧　2-90°V型砧

图3　W/D0=0.6时的整体件载荷-压下力曲线

2.3　宽平砧强压法——WHF法

宽平砧强压法(WHF法)锻造工艺的特点是利用对称的宽平砧，在高温下对锻件进行大压下量锻造。该方法具有较好的孔洞锻合效果，变形对称和操作简便。据资料介绍，日本采用该方法成功地锻造了570t钢锭。清华大学运用常温和高温密栅云纹模拟技术，考虑到实际锻造过程的各种情况，对WHF法进行了较为全面系统地研究，研究结果表明：

(1)综合考虑方坯、圆坯，砧宽比(W/H)的优选范围为0.6～0.8；

2)在优选砧宽比范围内，方坯锻造时、适合于中部和端部情况的压下率优选范围为16%～30%，以20%为最佳；

(3)采用合理的布砧方式，可降低锻比；

(4)如果直接拔长锻比不够，则必须采用镦粗工序，镦粗率的优选范围是45%～50%；

(5)采用该法时，砧下存在孔穴不闭合区，分布于砧子的两端，约占整个砧宽的

45%～50%，如果布砧方式不合理，则难以消除孔穴不闭合区；

(6)采用该法时锻件心部受静水压力的作用，特别是应变集中，有利于心部孔隙性缺陷的锻合，但整个截面的应变分布很不均匀，而且变形的主方向始终沿拔长方向，容易形成纤维组织，造成锻件性能的各向异性。如图4所示。

图4　W/H=0.8时轴心线上应力应变分布

2.4　中心压实法——JTS法

中心压实法是日本制钢所的馆野万吉和鹿野昭于1962年创立的一种大锻件锻造方法。其实质是：钢锭(坯)加热到始锻温度后不直接加压锻造，而是用鼓风或喷水雾的方法使其表面快速强制冷却，使钢锭(坯)内外产生250℃～350℃的温差，利用内外层间变形阻力的显著差别，用较窄的砧子施以强力压制，从而达到压实心部孔穴、疏松等缺陷的目的。被公认为是压实中心缺陷的一种行之有效的锻造方法。

中外各国的试验研究和生产使用结果表明：

(1)在砧宽比的取值问题上，一般认为W2/H=0.6～0.7，但W1/H的大小有较大争论。文献［2］介绍其最佳值为0.6；

(2)该法心部受到强烈的三向压应力作用，其三向压应力区达到整个截面的1/2左右，如图5所示；

(3)随着锻件内外温差的增大，最大变形区集中于心部，拔长方向应变趋于不均匀，应变数值增大如图5所示；

图5　对称截面应力应变分布

A-刚性区

(4)现行生产工艺中锻件内外温差为250℃～350℃，文献［2］提出温度梯度的优化值为230℃～270℃，可降低能耗20%～25%，节省冷却时间40%～70%，还可大大降低压机吨位，对现有生产条件下锻件向大型化发展有重要意义；

(5)该法在多种情况下可取消镦粗工序；

(6)该法锻坯中心部位符合高温、大变形量、三向压应力状态的孔隙焊合条件，表现出较强的锻透能力，但该法在整个截面上存在较大的变形梯度，而且主变形方向始终未变；

(7)该法对中小锻件由于不能有效地实现表面冷却，应用受到限制；

(8)该法需压机负荷较高，钢锭(坯)表面易产生裂纹。

2.5　FM法

FM法是1981年日本的渡边城等在第九届国际锻造会议上提出的一种新的大锻件锻造方法，它是一种消除Mannesman效应的锻造法。其实质是：利用上平砧下平台产生的不对称变形，使锻件两端在下砧反力形成的弯矩作用下上翅使锻件心部变形量增大，产生三向压应力。但在接近下砧的部分会出现轴向拉应力。

此方法的主要情况如下：

(1)在最佳上砧宽比问题上，文献［4］认为W/H=0.6时，在孔穴压合、拔长效率、中心线偏移等几个方面较优，文献［5］建议此值取为0.55～0.4，与此相应的压下率为10%～20%。文献［3］中取为0.3～0.5。

(2)该法心部产生三向压应力，较大范围内应变均匀分布，这对压合心部孔穴有利，如图6。但由于变形非对称，易引起轴心组织偏移，造成偏心，形成波浪形的轴心线。

(3)与普通拔长相比，其锻造负荷大1/4～1/3，但比JTS法小，其锻造效果优于普通