新FM鍛造法在大型軸類鍛件生產中的應用
摘要：采用新FM鍛造法，瞬時砧寬比控制在0.35～0.6之間，瞬時料寬比控制在0.8～1.2之間，壓下率選擇11％ ，可獲得理想的壓實效果，實現小壓機鍛造大鋼錠。
1、前言
隨著電力、冶金、船舶工業等裝備制造業向大型化、高標準發展，對大鍛件內部質量的要求也越來越嚴。我們通過對新FM鍛造法的應用研究，實現了在不升級設備能力的前提下，成功生產出符合高探傷標準的大型軸類鍛件的目標。最大鐓粗鋼錠25t，探傷合格率達到90％以上，實現了低成本競爭。
新FM鍛造法的實質是在FM鍛造法基礎上增加料寬比的控制，通過控制變形過程中變形體的形狀實現坯料心部軸向和橫向壓應力，達到壓實疏松組織的目的。相比KD、WHF方法來說，新FM鍛造法省力，適合在較小壓機上鍛造大規格鋼錠 。
隨著國內學者對拔長過程研究的不斷深入，準確的分析了平砧拔長過程中變形體內應力狀態，解釋了當壓縮矩形截面寬度方向時料寬比遠小于1易萌生拉應力裂紋，壓縮高度方向時砧寬比料寬比遠大于1易萌生剪應力裂紋的原因。新FM鍛造法可以有效的避免和改善這兩種應力狀態，增大變形體心部靜水壓力，并且不需要大砧寬比。許多實驗模擬都證明了這一點，并且在模塊等板類鍛件的生產應用中取得了良好效果。同時，對于新FM鍛造法砧寬比、料寬比、壓下率參數匹配的研究也在不斷進行。目前，新FM鍛造法已逐漸在板類鍛件生產中得到應用，但在軸類鍛件上的實踐卻較少。
本文詳細介紹了在25 MN水壓機上鐓粗18 t～25 t中低碳碳鋼、合金結構鋼鋼錠，使用500mm平砧生產直徑Φ700 mm以上大型軸類鍛件的工藝參數。
2、工藝參數的選擇
2.1 砧寬比、料寬比與壓下率的匹配
根據文獻介紹，要保證變形體內不出現軸向和橫向拉應力，應控制瞬時砧寬比W/H≥0.4、料寬比B/H>~0.83～1.2之間。文獻介紹了在不同砧寬比、料寬比條件下不出現軸向、橫向拉應力的最小壓下率。在實際操作過程中，受上砧寬度和坯料大小限制，瞬時砧寬比較小，砧寬比和料寬比不一定能同時滿足要求，這時首先要保證有效壓縮砧寬比W/H≥0.35，達到0.5較為理想。大型軸鍛件的軸身直徑大于砧寬，料寬比參數容易控制在0.83～1.2之間，壓縮過程中不會出現剪切狀態，可以通過調整每趟壓下率保證壓實效果 。實際生產時瞬時砧寬比W/H在0.35～0.6之間，瞬時料寬比B/H在0.8～1.2之間，壓下率在11％左右時可以獲得理想的壓實效果。
壓下率和鼓肚率指標在文獻中有推薦范圍。在實際生產中，由于大鋼錠加熱保溫時間很長，溫度不均勻(俗稱陰陽面)現象很普遍。單面壓縮時鼓肚部位和鼓肚率受溫度影響很大，實際參數與模擬試驗參數相去甚遠。計算單面壓縮率時，除第一趟拔長壓縮面是均勻變形外，拔長其它趟時壓縮面變形率是不一致的。溫度高的部位鼓肚率大且靠近上砧一側，翻轉90°后壓縮面變形率相差2％～6％。當鍛件溫度高且不均勻性大時，計算鼓肚率和每趟的壓下率是很困難的。較為簡單實用的辦法是，不算鼓肚率，按照每次拔長時不鼓肚部位變形量來控制壓下率10％～12％ ，鼓肚部位變形率約10％～18％。當砧寬比較小時，壓下率宜取大值。
2.2 翻轉方式與拔長趟數的設計
FM鍛造法與WHF鍛造法相比在國內應用普及的程度要低很多，主要原因是FM鍛造法的不對稱變形易使軸線偏移。而事實上大鋼錠加熱溫度不均勻幾乎是不可避免的，單面壓縮結合壓下量的調整正好是解決軸線偏移的方法之一，這一點對于很多高轉速大軸非常重要。相對0°、180°翻轉上下兩面壓縮后翻轉90°的方式來說，采用每次90°翻轉的方式，操作更方便也更易于控制變形坯料的形狀，尤其是可以解決較大變形量時瞬時料寬比超過1.2的問題。大鋼錠鐓粗后拔長比一般不低于3，拔長趟數一般設計在主變形階段每面走兩趟即可滿足壓實疏松缺陷的目的。太多次的單面壓縮沒有增加更多的變形效果反而增加設備負荷和火次。需要注意的是拔長滿砧送進時需要留30 mm～50 mm的砧間搭接，尤其是鐓粗后坯料較短時拔長不同趟次應分別從水冒口端壓起。
2.3 溫度、火次與晶粒度
大鋼錠變形抗力很大，為了充分壓實心部疏松組織必須通過提高加熱溫度和延長保溫時間來降低變形抗力，同時高溫修復缺陷在很多文獻 中都有介紹，生產實踐也驗證了這一點。常見中低碳合金結構鋼通常可提高加熱溫度30～50℃ ，在鐓粗前后延長1/2～3/4保溫時間。
對于34CrNi3Mo等大鋼錠保溫時間需8h以上。FM拔長工序通常設計為一火完工，但是遇到設備壓力不足鋼錠溫降過快以及拔長趟數過多時易造成增加火次。這時若回爐加熱應將高面立起來，加熱約3 h～4 h后，按原工藝執行或適當調整壓下量做到4面均勻變形。相比普通平砧拔長，新FM工藝提高了壓縮的靜水壓力，細化晶粒的作用非常大。包括在拔長過程中多次回爐加熱和拔長比小于2.5的情況下，經相同鍛后熱處理工藝，實際生產的鍛件晶粒度均達到了6～7級，而普通平砧拔長鍛件晶粒度只有4～5級。這對于提高大型軸類鍛件的強韌性，降低韌脆轉化溫度很有意義。
3、生產實踐
表1是采用20t鋼錠生產12.6 t 42CrMo齒輪軸的新FM鍛造工藝。工藝設計思路是一次鐓粗滿足鍛比要求。在瞬時砧寬比為0.35～0.6階段進行FM法拔長，隨后換上下平砧拔八方、號印(分料)、精鍛、切件。考慮到變形抗力較大，鐓粗及FM拔長前進行1280℃ 高溫保溫，平砧拔長階段降低溫度至1 200℃ ，4火完工。
表2是新FM拔長參數表。拔長過程中瞬時砧寬比控制在0.35～0.6之間，瞬時料寬比控制在0.92～1.07之間，壓下率11％，每次翻轉90°。該工藝可有效壓實鋼錠疏松組織，解決了原平砧拔長工藝超探心部Φ4 mm～Φ8 mm密集性缺陷當量超標的問題，符合JB／T 5000.15=1998Ⅲ級標準要求。
4、結論
(1)當瞬時砧寬比W/H在0.35～0.6之間，瞬時料寬比B/H在0.8～1.2之間，壓下率為11％ 時，FM拔長可以獲得理想的壓實效果。
(2)每面拔長2趟，滿砧送進砧間搭接30mm～50mm，不同趟數分別從水冒口端壓起，每趟翻轉90°。
(3)在坯料高度和溫度不均勻的影響下，同一面鼓肚率不一致。靠近上砧和溫度高的部位鼓肚率較大，除第一趟拔長外，同一壓縮面變形率約差2％～6％。
(4)新FM法拔長需要在比工藝規范高30～50℃ 的高溫和長時間保溫條件下獲得理想的熱力學狀態，充分壓實疏松組織。
(5)新FM法拔長相比普通平砧拔長可強化晶界，細化晶粒，增強了超聲波透聲性，為后續熱處理獲得理想的綜合力學性能創造有利條件。
