文/李偉陽·寶雞石油機械有限責任公司研究院工藝材料研究所

閥箱的鍛造新工藝

文/李偉陽·寶雞石油機械有限責任公司研究院工藝材料研究所

閥箱是寶雞石油機械有限責任公司為東北某公司長期配套生產(chǎn)的一種采油裝置產(chǎn)品。整個采油裝置是由閥箱及一些配件組成的，外協(xié)加工合同規(guī)定成品需進行高壓滲漏壓力試驗及滿足一定的力學性能。所以閥箱的質(zhì)量要求很高，閥箱外形簡單，靠切削加工來保證。而其內(nèi)在質(zhì)量依靠熱加工來保證，鍛件質(zhì)量的高低必將影響閥箱的質(zhì)量。閥箱鍛件的鍛造是保證采油裝置質(zhì)量的關鍵工序，鍛造的目的不僅是為了獲得一定形狀的鍛件，更重要的是通過鍛造熱變形擊碎鋼錠的鑄態(tài)粗晶、樹枝狀結構及晶界物質(zhì)，鍛合鋼錠內(nèi)部的孔隙，以達到提高力學性能的目的。鍛件的質(zhì)量對閥箱的質(zhì)量影響很大。

前些年，我們的閥箱鍛件出現(xiàn)過裂紋、白點以及內(nèi)部殘留鑄造樹枝晶的現(xiàn)象。針對這些鍛造缺陷，我們經(jīng)過分析研究，改進工藝，避免了這些鍛造缺陷的出現(xiàn)，圖1為寶雞石油機械有限責任公司生產(chǎn)的閥箱零件簡單示意圖。

鍛造缺陷分析

裂紋

裂紋是鍛件生產(chǎn)中常見的缺陷。在鍛前加熱、鍛造過程及鍛后冷卻都有可能產(chǎn)生。我們在各個環(huán)節(jié)都采取相應的措施。制訂加熱規(guī)范，加熱時保證充分均勻熱透，以防止鍛造時發(fā)生不均勻變形。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，在鋼錠底部要墊一塊立磚，以保證鋼錠底部受熱均勻，不允許冷熱鋼錠同時加熱。在寒冷的冬季，要提前一個班將所需鋼錠提前放在爐門口烘烤，至少烘烤3h以上，才能進爐加熱。適當提高鍛造溫度，將終鍛溫度上調(diào)50℃，完善變形工步，制訂鍛后冷卻規(guī)范，都可以有效地防止裂紋的產(chǎn)生。

白點

白點是鍛件在冷卻過程中產(chǎn)生的一種內(nèi)部缺陷，是鋼中氫和組織應力共同作用的結果，沒有一定數(shù)量的氫和較顯著的組織應力，白點是不能形成的。

圖1 閥箱零件簡單示意圖

鋼中的氫來源于煉鋼時鋼液中的氫，在鋼液凝固時來不及溢出到鋼錠表面，而存在于鋼錠內(nèi)部。壓力加工之前加熱時，氫又溶于鋼中，壓力加工后的冷卻過程中由于奧氏體分解和溫度降低，氫在鋼中溶解度減少，氫原子從固溶體中析出到鋼坯內(nèi)部的一些顯微空隙處。氫原子在這里將結合成分子狀態(tài)，并具有一定的應力。當鍛件在冷卻過程中因相變而造成的組織應力，在一定條件下可達到相當大的數(shù)值。由于組織應力及氫析出所造成的內(nèi)應力的共同作用，使鋼發(fā)生脆性破裂，由此而形成白點。

鍛件由于經(jīng)過壓力加工，組織更加致密，內(nèi)部空隙焊合，所以氫析出時會產(chǎn)生相當大的壓力。要防止鍛件白點的產(chǎn)生，首先是從熔煉工藝著手，使鋼中氫含量盡量減少（酸性爐要好于堿性爐）。如果煉鋼不能有效的控制氫含量在2ppm以下，則鍛造后必須采取合理的方法去控制氫含量，決不允許將鍛件直接冷卻到室溫。

對于鍛造來講關鍵是要制定合理的鍛后冷卻規(guī)范。鍛件冷卻熱處理規(guī)范是根據(jù)鍛件的化學成分、截面形狀、尺寸要求，考慮白點的敏感程度而制定的。在實際生產(chǎn)中由于各廠的煉鋼、鑄錠等條件不同，即使同一鍛件尺寸同一鋼號，各種冷卻熱處理規(guī)范也會略有不同。

圖2 等溫退火曲線

圖3 起伏等溫退火冷卻規(guī)范

圖4 閥箱鍛件圖

大鍛件鍛后冷卻熱處理的目的：首先是降低鋼中氫含量，減少組織應力，防止白點產(chǎn)生。其次是細化、勻化晶粒，降低硬度，消除組織相變應力、變形殘余應力及冷卻溫度應力，改善加工性能。消除白點的原則是在盡量減少各種應力的條件下，在氫擴散速度快的溫度區(qū)保溫，使氫能從鋼中充分擴散，具體方法是采用等溫退火。氫有兩個擴散速度快的溫度區(qū)，600～660℃、280～320℃。

在600～660℃長時間保溫，進行等溫退火時，由于保溫時間長，使得奧氏體充分分解的同時又使中心的氫盡量向表面擴散。該溫度下鋼的塑性較好，同時溫度應力，相變應力較小，比較安全，但時間較長。在280～320℃等溫退火時相變應力和溫度應力較大，對于大鍛件如果控制不好，極易產(chǎn)生裂紋，但能充分除氫。閥箱的材質(zhì)為含鉻鎳合金鋼，根據(jù)截面尺寸及對白點的敏感程度，閥箱鍛后一開始采用如圖2的等溫退火曲線，進行鍛后去氫處理。

經(jīng)過生產(chǎn)實踐證明，在鋼錠質(zhì)量不穩(wěn)定的情況下，仍有部分出現(xiàn)白點。確定采用如圖3的起伏等溫退火冷卻規(guī)范進行鍛后去氫處理。寶雞石油機械有限責任公司所有閥箱一直采用此起伏等溫退火曲線冷卻，經(jīng)取樣分析和生產(chǎn)實際驗證未發(fā)現(xiàn)有白點出現(xiàn)。

鑄造樹枝晶

閥箱鍛件所用的原材料，是采用寶雞石油機械有限責任公司自已生產(chǎn)的鑄造鋼錠。鋼錠規(guī)格為23"鋼錠。質(zhì)量3t。切除水口、冒口共0.88t后，下料2.12t。鋼錠利用率為70.7％。閥箱鍛件圖如圖4 所示。

閥箱的原工藝過程為鋼錠加熱后，在鍛造設備上進行鍛造：

⑴壓鉗口倒棱為φ500mm；

⑵切除水口、冒口共0.88t；

⑶鐓粗外徑為φ750mm；

⑷拔長為520mm×480mm的矩形截面；

⑸整形符合圖4閥箱鍛件圖的尺寸。

根據(jù)《大型合金結構鋼鍛件 技術條件》（JB/T 6396-2006）中的要求：每個鋼錠的水口、冒口應有足夠的切除量來保證鍛件無縮孔和嚴重的偏析。鍛件應在有足夠能力的鍛壓機上成形，以保證鍛件內(nèi)部充分鍛透。鋼錠利用率和鍛造比均未量化，公司鍛件通用技術條件規(guī)定鋼錠利用率為小于75％，鋼錠利用率滿足要求。

寶雞石油機械有限責任公司最大的鍛造設備為5t自由鍛錘，經(jīng)過電液錘改造實為6t，我們的閥箱鍛件是近似方塊，方塊的自由鍛鍛造能力為方截面邊長不大于450mm。由于閥箱截面為520mm×480mm兩邊均大于方截面邊長，可見鍛造設備能力不足。我們必須改變工藝方法來滿足鍛造設備能力。在鋼錠倒棱下料后先進行1次拔長，然后鐓粗。由于閥箱需要各向同性，不希望產(chǎn)生鍛造纖維流線。所以，規(guī)定鐓粗后改變方向，以鐓粗后的直徑方向為2次拔長方向。

錘砧上下用平砧，以半砧送進量、全負荷重擊快打拔長鍛件。拔長為450mm×450mm的截面，滿足鍛造設備能力的要求，將料鍛透。在滿足鍛造設備能力的要求前提下加大鍛造比，確保將鋼錠鑄造組織完全改變?yōu)殄懺旖M織。本方法適合于中型鍛造企業(yè)，用于擁有5t自由鍛錘的企業(yè)。對于擁有大型壓力機的企業(yè)，本文不適用。

具體鍛造工藝

⑴鋼錠按圖5規(guī)范進行加熱，在鋼錠底部必須要墊起一塊立磚。

⑵鋼錠倒棱、壓鉗口，倒棱φ500mm。

⑶下料：由于閥箱整好用一個鋼錠的料，所以切除水口及冒口就是下料。按規(guī)定切除水口及冒口0.88t。氧氣切割熱下料，在倒棱鋼錠還有可見光譜時進行。

⑷加熱：直接進爐，1180℃保溫3h后出爐鍛造。

圖5 鋼錠加熱規(guī)范

⑸拔長：為了進一步焊合倒棱鋼錠表面皮下鑄造缺陷，防止鐓粗產(chǎn)生裂紋，拔長到1500mm。此過程變形在表面，不計鍛比。

⑹鐓粗：鐓粗到600mm，鍛造比為2.5。

⑺加熱：直接進爐，1180℃保溫2.5h后出爐鍛造。

⑻改變軸線方向鍛造，以鐓粗后的直徑方向為拔長方向，送進量采用半砧送進量，以設備最大能力重擊快打拔長鍛件。拔到截面為450mm×450mm，鍛造比為2.2。

⑼按工藝要求修整鍛件，按照圖4閥箱鍛件圖的尺寸。由于工人的技術水平不一樣，有可能增加一火次。

⑽閥箱鍛后要立即進退火爐，按圖3起伏等溫退火曲線進行冷卻。

⑾正火。

⑿試棒在最終熱處理后，線切割取下，送實驗室進行力學性能的分析。

結束語

采用全新的鍛造工藝后閥箱再沒有發(fā)現(xiàn)鍛造缺陷，經(jīng)隨后的壓力試驗及無損探傷檢驗，產(chǎn)品完全合格。閥箱試樣經(jīng)取樣做力學性能試驗，結果完全符合要求。閥箱已經(jīng)成為寶雞石油機械有限責任公司的拳頭產(chǎn)品，出口美國、中東阿拉伯等國家。

李偉陽，高級工程師，從事于鍛壓工藝、工裝設計，中國鍛壓協(xié)會鍛造專家。