文/孫建華·山東礦機(jī)集團(tuán)萊蕪煤機(jī)有限公司

30Cr13多通閥鍛造工藝設(shè)計(jì)

文/孫建華·山東礦機(jī)集團(tuán)萊蕪煤機(jī)有限公司

孫建華，總工程師，主要負(fù)責(zé)公司技術(shù)及質(zhì)量管理方面的工作。曾主持公司重型模鍛車間總體設(shè)計(jì)、生產(chǎn)線布置、工程建設(shè)及設(shè)備安裝、調(diào)試等工作；多臺(tái)階法蘭輾環(huán)生產(chǎn)線技術(shù)改造項(xiàng)目的實(shí)施。

多通閥是煤礦采煤工作面頂板支護(hù)設(shè)備液壓支架的關(guān)鍵液壓元件，承擔(dān)液壓系統(tǒng)多通管路的配液連接，由于工作環(huán)境高溫濕熱，并且需要承擔(dān)的壓力比較大，掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的泥漿可導(dǎo)致產(chǎn)品嚴(yán)重銹蝕，從而縮短產(chǎn)品壽命，因此，產(chǎn)品的選材必須考慮耐蝕性及抗氧化性，同時(shí)鍛件的生產(chǎn)過程必須按產(chǎn)品工藝規(guī)程嚴(yán)格控制，保證產(chǎn)品質(zhì)量。否則，產(chǎn)品在工作過程中一旦出現(xiàn)開裂、早期失效等質(zhì)量問題，將造成嚴(yán)重安全事故，帶來不可估量的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。

鍛件優(yōu)化設(shè)計(jì)

多通閥工作環(huán)境及強(qiáng)度要求非常高，選用30Cr13材質(zhì)的圓鋼。該材料屬于高碳馬氏體不銹鋼，是一種非常理想的耐腐蝕、耐熱型結(jié)構(gòu)材料，特別適合制作高溫濕熱條件的受力部件。但是，該種材料鍛造溫度范圍小，高溫變形抗力大、塑性差，鍛造難度大，冷卻過程中對冷卻速度敏感，鍛件容易產(chǎn)生裂紋等缺陷。

該鍛件采用模鍛工藝制造，重為60kg，鍛造工藝流程為，下料→加熱（天然氣加熱爐）→模鍛（10t模鍛錘）→切邊（1000t液壓切邊機(jī)）→冷卻及余熱退火。

多通閥鍛件的原始設(shè)計(jì)如圖1所示，在選擇坯料時(shí)，如果材料規(guī)格過大，鍛造過程中，103尺寸部位較窄，局部容易出現(xiàn)飛邊，由于飛邊變薄后降溫速度非?？?，導(dǎo)致其變形抗力急劇增大，使上、下模很難閉合，結(jié)果造成圖1中的1部位頂部充不滿，鍛件難以成形。經(jīng)過計(jì)算，選擇φ200mm規(guī)格的材料，這樣在鍛打過程中，可以保證鍛件型腔先大部分充滿，再出現(xiàn)飛邊，經(jīng)驗(yàn)證，效果很好。

由于30Cr13材料高溫時(shí)變形抗力大、塑性差，是鍛造難度較大的一種鋼材。因此鍛件設(shè)計(jì)時(shí)，局部難以充滿部位的過渡鍛造圓角和拔模斜度要適當(dāng)加大。鍛件原設(shè)計(jì)結(jié)果造成1、2、3部位充不滿，2部位還產(chǎn)生折疊現(xiàn)象。

為此經(jīng)過工藝優(yōu)化，將1部位兩側(cè)面的拔模斜度由5°改為10°，鍛造圓角R由5mm改為20mm；2部位拔模斜度由5°改為10°，鍛造圓角R由5mm改為15mm；3部位拔模斜度由5°改為30°，鍛造圓角R由5mm改為15mm；4部位兩側(cè)的鍛造圓角R由5mm改為15mm；5部位四周鍛造圓角R由5mm改為20mm，如圖2所示。改進(jìn)后，經(jīng)過試驗(yàn)，以上部位填充情況良好，且無折疊等鍛造缺陷出現(xiàn)。

鍛造過程控制

下料

由于鍛造圓鋼表面缺陷較多，下料前要仔細(xì)檢查圓鋼表面質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)裂紋或折疊缺陷，及時(shí)清理打磨干凈后方可下料。下料過程中由于該材料在鋸切的過程中粘齒嚴(yán)重，應(yīng)盡量減小鋸片進(jìn)給量，同時(shí)降低鋸切速度，防止鋸片跑斜、鋸切面表面粗糙或斜度太大。坯料轉(zhuǎn)入下道工序之前，必須經(jīng)過嚴(yán)格的表面探傷，確保鋼材表面無裂紋缺陷后，方可轉(zhuǎn)入下道工序。

加熱規(guī)范制定

坯料的加熱設(shè)備為天然氣加熱爐，爐溫采用電腦控制。高碳馬氏體不銹鋼的一般始鍛溫度為1150℃，終鍛溫度為925℃。但是為了得到細(xì)晶粒組織，終鍛溫度可比規(guī)定溫度降低50～80℃，同時(shí)考慮到儀表測量誤差及其他因素，確定如下加熱規(guī)范：始鍛溫度1100℃，終鍛溫度900℃。加熱時(shí)，室溫裝爐，采用分段加熱，在爐膛低溫區(qū)緩慢加熱到900℃，保溫時(shí)間按0.6～0.8min/mm確定，然后推到高溫區(qū)快速加熱到始鍛溫度，保溫時(shí)間按0.3～0.8min/mm確定。

鍛造及切邊

鍛造設(shè)備采用10t全液壓模鍛錘，鍛造前，模鍛型腔表面要進(jìn)行拋光處理，鍛模預(yù)熱到150～300℃，防止毛坯接觸模具表面時(shí)溫差過大，造成冷卻速度過快，而產(chǎn)生裂紋。

圖1 鍛件原始設(shè)計(jì)圖

圖2 改進(jìn)后的鍛件設(shè)計(jì)圖

圖3 熱處理工藝曲線

鍛造時(shí)要掌握好錘擊力量，力量太小，由于該材質(zhì)高溫塑性差，造成成形時(shí)間長，坯料冷卻，鍛件不能及時(shí)成形，局部難成形部位充不滿；錘擊力量太大，可能產(chǎn)生裂紋而造成廢品的產(chǎn)生。為了鍛件及時(shí)快速成形，鍛造時(shí)鍛模采用石墨乳潤滑劑，噴涂石墨時(shí)要均勻，產(chǎn)生霧狀，防止局部集中噴涂，產(chǎn)生積液。另外，鍛打時(shí)嚴(yán)格控制終鍛溫度，當(dāng)溫度低于終鍛溫度時(shí)，必須要回爐重新加熱到終鍛溫度。

終鍛結(jié)束后，在1000t液壓切邊機(jī)上進(jìn)行切邊。切邊時(shí)，切邊模具預(yù)熱到150～300℃，防止飛邊與切邊模刃口接觸部位快速冷卻、產(chǎn)生裂紋，從而造成鍛件報(bào)廢。

鍛后冷卻及余熱退火

由于30Cr13對冷卻速度非常敏感，所以鍛件在鍛后冷卻時(shí)，一定要嚴(yán)格控制冷卻速度，否則會(huì)產(chǎn)生裂紋，一般采用坑冷、灰冷或爐冷。為了既保證鍛件達(dá)到冷卻效果，又能節(jié)省能源，采用隨爐冷卻到400℃后利用鍛件余熱退火。

鍛件切邊結(jié)束后，要及時(shí)趁熱裝爐。400℃保溫1.5h，然后升溫到650℃保溫1.5h，升溫到900℃保溫2h后，隨爐冷卻到600℃保溫2h，隨后出爐空冷，熱處理工藝曲線如圖3所示。

按照上述工藝進(jìn)行試制及生產(chǎn)驗(yàn)證，經(jīng)檢查尺寸符合鍛件圖設(shè)計(jì)要求。退火硬度經(jīng)檢測在207～255HB之間，滿足鍛件熱處理后的硬度要求。鍛件內(nèi)部質(zhì)量經(jīng)過UT檢測，無裂紋缺陷，完全達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量要求。

結(jié)束語

通過對30Cr13材質(zhì)生產(chǎn)的多通閥鍛件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、鍛造工藝、加熱工藝、冷卻工藝，及鍛后熱處理工藝的合理制定，并經(jīng)過反復(fù)試制，終于解決了該產(chǎn)品模鍛件鍛造難度大，產(chǎn)品容易開裂這一難題。

多通閥鍛件鍛造難度大，質(zhì)量要求高，要保證穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量，必須制定好合理的鍛造工藝和嚴(yán)格的過程控制體系，重點(diǎn)注意以下6個(gè)環(huán)節(jié)：

⑴必須要保證原材料的質(zhì)量，經(jīng)過表面探傷無裂紋缺陷的材料方可投入生產(chǎn)。

⑵加熱時(shí)一定要分段緩慢加熱，嚴(yán)格控制加熱速度，防止加熱速度過快，坯料內(nèi)部和表面溫差過大造成坯料開裂。

⑶設(shè)計(jì)鍛件圖時(shí)，難成形的部位拔模斜度和圓角要加大。否則，局部難以充滿，還會(huì)出現(xiàn)折疊。

⑷嚴(yán)格控制鍛件冷卻速度，防止鍛件因冷卻速度過快而產(chǎn)生裂紋，造成鍛件報(bào)廢。

⑸鍛后必須要及時(shí)對鍛件進(jìn)行退火，防止產(chǎn)生裂紋。

⑹鍛件UT探傷合格后，方可使用。