一種鋼錠超高溫軟芯鍛造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鋼的鍛造領(lǐng)域，具體地來(lái)說(shuō)是一種模鑄鋼錠的超高溫軟芯鍛造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 大型鍛件作為冶金機(jī)械、石油化工、交通運(yùn)輸、能源電力等領(lǐng)域大型成套裝備的核 心零部件，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防裝備和重大科學(xué)裝置中發(fā)揮著極其重要的作用，其生產(chǎn)能 力和質(zhì)量水平是衡量一個(gè)國(guó)家自主能力與國(guó)力強(qiáng)弱的重要標(biāo)志。因此，提高大型鍛件的內(nèi) 在質(zhì)量，保證其運(yùn)行過(guò)程中的安全性和可靠性具有十分重要的意義。
[0003] 大型鍛件一般由大型鋼錠鍛造而成。在鋼錠內(nèi)部，由于金屬凝固收縮而不可避免 地產(chǎn)生大量的顯微縮孔和疏松缺陷，這些孔洞型缺陷彌散分布在鋼錠心部，破壞了材料的 連續(xù)性，影響鍛件的力學(xué)性能。同時(shí)，由于凝固過(guò)程的溶質(zhì)再分配，凝固末端不但合金濃度 高，而且往往富集低熔點(diǎn)物質(zhì)和雜質(zhì)元素，形成枝晶偏析，這種偏析在后續(xù)的鍛造過(guò)程只能 部分改善，不能完全消除，破壞材料的均質(zhì)性，影響鍛件的組織和性能。
[0004] 為了改善鍛件的致密性和均質(zhì)性，大批科研人員長(zhǎng)期致力于開(kāi)發(fā)消除鋼錠心部顯 微孔洞和改善顯微偏析的"中心壓實(shí)"工藝，目前已獲得工業(yè)應(yīng)用的工藝，如：WHF法（寬砧 強(qiáng)壓法）、FM法（心部消拉應(yīng)力法）、JTS法（硬殼鍛造法）等。這些工藝手段改善了鍛件 心部應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，促進(jìn)了孔洞類(lèi)缺陷的愈合，通過(guò)再結(jié)晶破碎了鑄態(tài)組織，使鍛件以無(wú) 缺陷或微缺陷狀態(tài)服役，提升了重大裝備的運(yùn)行安全性。然而，由于材料成分和鋼錠規(guī)格的 多樣性和復(fù)雜性，造成中心缺陷的大小和分布難以用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)定量衡量，同樣的錠型不 同的材質(zhì)，應(yīng)用相同的鍛造工藝進(jìn)行鍛造，有些能夠通過(guò)探傷有些則不能。例如，采用高徑 比為2的15噸錠型生產(chǎn)42CrMo和H13鋼錠，同樣應(yīng)用WHF法鍛造，42CrMo材質(zhì)的鍛件能夠 通過(guò)探傷，而H13卻不能通過(guò)，這主要是因?yàn)镠13凝固區(qū)間寬，縮孔疏松缺陷更為嚴(yán)重。這 種現(xiàn)狀說(shuō)明了當(dāng)前中心壓實(shí)工藝尚不足以消除一些鋼錠中心比較嚴(yán)重的缺陷。因此，開(kāi)發(fā) 更為強(qiáng)力有效的鍛造方法，徹底消除鋼錠中心缺陷勢(shì)在必行。
[0005] 目前，幾乎所有的鍛件均采用冷（溫）錠再加熱的方式進(jìn)行鍛造生產(chǎn)。1)方式一： 對(duì)于一些重量較小的鋼錠，首先澆注鋼錠，將鋼錠在錠模中冷至300~500°C，然后為避免 冷至室溫時(shí)發(fā)生開(kāi)裂，需進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的消應(yīng)力退火，然后在爐中進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的梯度再加熱， 使鋼錠內(nèi)外溫度均勻達(dá)到1200°C以上，最后進(jìn)行鍛造，加工周期非常長(zhǎng)；2)方式二：對(duì)于一 些重量較大的鋼錠，首先澆注鋼錠，將鋼錠在錠模中冷至冒口完全凝固，然后進(jìn)行脫模，此 時(shí)錠身溫度一般為700~900°C，這種溫態(tài)鋼錠放入保溫罐中熱送（紅送）到加熱爐中進(jìn)行 加熱，使鋼錠內(nèi)外溫度均勻達(dá)到1200°C以上，最后進(jìn)行鍛造，這種方式在一定程度上節(jié)約了 加熱能源，縮短了加工流程；3)然而，對(duì)于一些鋼種，在850~950°C時(shí)A1N沿鑄態(tài)粗大奧氏 體晶界析出，弱化了晶界，此時(shí)立即紅送加熱，短時(shí)間內(nèi)發(fā)生奧氏體分解與奧氏體化兩次相 變，容易造成表面裂紋，這種鋼錠不得不過(guò)冷到200~300°C，再進(jìn)行加熱，鋼錠的余溫白白 損失掉，造成極大浪費(fèi)。
[0006] 近年來(lái)，在連鑄坯制造領(lǐng)域發(fā)展出一種輕壓下技術(shù)，這種技術(shù)是通過(guò)在連鑄方/ 板坯液芯末端附近施加壓力產(chǎn)生一定的壓下量來(lái)補(bǔ)償鑄坯的凝固收縮量。一方面可以消除 或減少鑄還收縮形成的內(nèi)部空隙，防止晶間富集溶質(zhì)兀素的鋼液向鑄還中心橫向流動(dòng)；另 一方面，輕壓下所產(chǎn)生的擠壓作用還可以促進(jìn)液芯中心富集的溶質(zhì)元素鋼液沿拉坯方向反 向流動(dòng)，使溶質(zhì)元素在鋼液中重新分配，從而使鑄坯的凝固組織更加均勻致密，起到改善中 心偏析和減少中心疏松的作用。輕壓下技術(shù)對(duì)壓下位置的選取非常重要，壓下過(guò)早，中心金 屬尚未凝固，疏松缺陷在壓下后還會(huì)形成；壓下過(guò)晚，金屬處于固相分?jǐn)?shù)較高的兩相區(qū)，流 動(dòng)性較差，小變形下容易產(chǎn)生密集性裂紋。一般認(rèn)為中心固相分?jǐn)?shù)達(dá)到0. 3~0. 7時(shí)壓下 會(huì)發(fā)揮較好作用。同時(shí)，壓下量的選擇也比較重要，根據(jù)設(shè)備能力，一般壓下率為1~3%。 連鑄坯的輕壓下技術(shù)能夠在一定程度上改善普碳鋼和低合金鋼坯的中心質(zhì)量，但對(duì)于必須 采用模鑄方式生產(chǎn)的合金鋼卻無(wú)能為力。事實(shí)上，合金鋼的凝固區(qū)間往往較寬，中心縮孔疏 松、枝晶偏析等缺陷更為嚴(yán)重，更需要結(jié)合凝固和變形手段，消除或減輕鋼坯的中心缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)當(dāng)前工業(yè)上產(chǎn)中鋼錠的中心缺陷和內(nèi)在質(zhì)量問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一 種鋼錠超高溫軟芯鍛造方法，可以消除鋼錠的縮孔疏松、減輕枝晶偏析等冶金缺陷，細(xì)化組 織，提升鍛件冶金質(zhì)量和力學(xué)性能，達(dá)到縮短加工周期，節(jié)能、節(jié)材，提高模具使用壽命，降 低鍛造成本的目的。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0009] -種鋼錠超高溫軟芯鍛造方法，首先將澆注后的鋼錠帶液芯超高溫脫模；然后放 置于保溫車(chē)中均溫并運(yùn)送到鍛壓機(jī)，將鋼錠帶液芯實(shí)施高溫保壓鍛造，使凝固末端樹(shù)枝晶 充分破碎，形成大量等軸晶組織，消除縮孔疏松，減輕枝晶偏析；最后，進(jìn)行常規(guī)鍛造，充分 細(xì)化晶粒和組織。
[0010] 所述的鋼錠超高溫軟芯鍛造方法，具體步驟如下：
[0011] 第一步，超高溫脫模；使脫模后的鋼錠錠身表面溫度不低于1KKTC，中心1300~ 1450。。；
[0012] 第二步，封閉冒口頂部；采用噴淋或鼓風(fēng)裝置，持續(xù)作用于鋼錠冒口，使冒口頂部 完全凝固；
[0013] 第三步，轉(zhuǎn)運(yùn)及均溫；將鋼錠放置于保溫車(chē)中，運(yùn)送至鍛壓機(jī)，均溫0. 5~2小時(shí)， 準(zhǔn)備鍛造；
[0014] 第四步，寬砧大變形；將鋼錠放置于鍛壓機(jī)操作臺(tái)上，使用寬平砧沿厚度方向變形 10 ~50% ;
[0015] 第五步，高溫保壓；鋼錠變形到指定尺寸后，使用寬平砧保持壓力持續(xù)作用于鋼 錠，作用時(shí)間不小于5分鐘，變形量不大于5% ;
[0016] 第六步，將鋼錠鍛造至最終鍛件尺寸，對(duì)于形狀復(fù)雜的鍛件，若溫度低于終鍛溫 度，則回高溫爐均溫，執(zhí)行下一鍛造火次。
[0017] 所述的鋼錠超高溫軟芯鍛造方法，第一步中，鋼錠脫模時(shí)間采用計(jì)算機(jī)模擬確定， 鋼錠模設(shè)計(jì)為兩種方式，一種為倒錐度，即"上小下大"模式，脫模時(shí)冒口箱和錠身同時(shí)脫 除；另一種為正錐度，即"上大下小"模式，澆注后在冒口邊緣插入起吊桿，冒口邊緣凝固后， 脫除冒口箱，通過(guò)起吊桿將鋼錠與鋼錠模脫除。
[0018] 所述的鋼錠超高溫軟芯鍛造方法，第二步中，冒口頂部完全凝固時(shí)，冒口表面溫度 低于 1200°C。
[0019] 所述的鋼錠超高溫軟芯鍛造方法，第三步中，開(kāi)鍛前，鋼錠表面溫度最低點(diǎn)不低于 1000。。。
[0020] 所述的鋼錠超高溫軟芯鍛造方法，第四步中，主變形過(guò)程中，采用寬平砧變形的砧 寬應(yīng)覆蓋鋼錠總長(zhǎng)度，一次變形到位，使縮孔疏松缺陷閉合。
[0021] 所述的鋼錠超高溫軟芯鍛造方法，第五步中，主變形結(jié)束后，使用寬平砧進(jìn)行保壓 和微變形，使閉合的缺陷充分焊合。
[0022] 所述的鋼錠超高溫軟芯鍛造方法，第六步中，中心壓實(shí)后，將鋼錠鍛造至最終鍛件 尺寸，若本鍛造火次無(wú)法成形的，增加鍛造火次成形。
[0023] 本發(fā)明的物理冶金學(xué)和力學(xué)分析如下：
[0024] 金屬液在凝固相變過(guò)程中，體積將發(fā)生較大的改變。以鋼鐵材料為例，液態(tài)時(shí)密度 約為7300kg/m3,固態(tài)時(shí)密度約為7800kg/m3,如此大的密度差將造成凝固后鑄態(tài)組織中產(chǎn) 生不同程度的縮孔、疏松缺陷。一般而言，固、液兩相區(qū)越寬泛，產(chǎn)生疏松的傾向越嚴(yán)重。為 了補(bǔ)充這種體積收縮，常規(guī)方法是在鋼錠頂部放置冒口，通過(guò)良好的冒口保溫條件，使冒口 中保持液態(tài)的金屬在重力作用下，能夠補(bǔ)充錠身的體積收縮，進(jìn)而減輕縮孔、疏松缺陷。通 常冒口越大，保溫效果越好，對(duì)錠身的補(bǔ)縮效果越好。
[0025] 然而，增大冒口是以犧牲鋼錠的材料利用率為代價(jià)的，為了避免鋼錠中心縮孔缺 陷，一些冒口所占鋼錠重量甚至超過(guò)30 %，這是非常不經(jīng)濟(jì)的。理想情況下，材料利用率較 高的鋼錠應(yīng)該是高徑比較大