專利名稱：一種軸類大鍛件內部空穴的消除方法
技術領域：
本發明涉及金屬材料的改性加工方法，具體是指一種軸類大鍛件內部空穴的消除 方法。
背景技術：
軸類大鍛件是指重量為五噸以上的鋼錠鍛件，鋼錠材質一般為碳素鋼，截面尺寸一般為邊長400 500mm的正方形。由于鋼錠尺寸較大，在鋼錠凝固過程中，越接近工件表 面溫度越低，所以凝固過程由表面向心部擴展，即表面先凝固而心部后凝固。當心部開始凝 固時，表面已經形成堅固且較厚的外殼，由于熱脹冷縮現象，心部材料凝固時的體積收縮將 無法得到補充，從而必然在凝固過程中形成一些直徑約為1 2mm的空穴。為了消除或減少鋼錠中的空穴，一種方法是將煉出的鋼液并不直接鑄成鋼錠，而 是傾入水中，使鋼水成為金屬顆粒，然后再在坩堝中重熔，以便控制鋼中的碳含量并減少空 穴。但這種方法不適用于大型鍛件鋼錠的制備，而且過于繁瑣，已被逐漸淘汰。對于不銹鋼之類的鋼錠，可以加入少量的稀土元素，以消除鋼錠中因氫氣引起的 氣泡，但并不能減少熱脹冷縮引起的空穴，而且并不適用于碳素鋼。采用熱軋方法加工鋼材時，雖然可以減少或消除鍛件內部的裂紋和疏松，但這種 方法只適用于加工鋼板之類的材料。對于常規的鍛造工藝，由于在對工件鍛打而使其變得更長時(拔長)，往往不斷地 操作工件使其沿長度方向(Y軸方向)進行90°翻轉，雖然也能消除一些內部裂紋和疏松， 但并不控制鍛件內部空穴的狀況。由于空穴的存在必然會導致材料強度的降低，因此以前往往為了達到預定的設計 強度，便增加零件的設計尺寸，通過增加材料投入的方法來抵消內部空穴對材料強度的削 弱，因此將會帶來材料成本的提高。
發明內容
為了克服現有技術的不足，提供一種成本低、工藝簡單可徹底消除軸類大鍛件內 部空穴的方法。本發明采用控制單向壓縮變形量的方法消除大鍛件的內部空穴，在不對軸類大鍛 件進行翻轉操作的情況下使軸類大鍛件的單向壓縮變形量達到28% 32%;且保持溫度在 900°C以上；由于在大鍛件鋼錠的鍛造過程中，必須將鋼錠進行拔長，即沿鋼錠橫截面方向 進行鍛打，以減小橫截面面積，增加鍛件長度，本發明的方法既可降低成本，又達到軸類大 鍛件內部空穴的消除的目的。本發明的目的通過如下技術方案實現一種軸類大鍛件內部空穴的消除方法，包括如下工序(1)根據軸類大鍛件的碳素鋼材料牌號，按照鍛壓手冊規定的加熱規范進行加熱 和保溫；所述軸類大鍛件為碳素鋼材，重量為五噸以上，鋼錠材質截面尺寸為邊長400 500mm的正方形；(2)在保持軸類大鍛件溫度為900°C條件下，把加熱后的鋼錠的一段水平放在鍛 錘的下砧的中間，上砧隨鍛錘的錘頭向下打擊，使軸類大鍛件產生變形，在不對軸類大鍛件 進行翻轉操作的情況下使軸類大鍛件的單向壓縮變形量達到28% 32%;使軸類大鍛件被 鍛打段中的空穴上下面貼合；(3)在保持軸類大鍛件溫度為900°C條件下，將軸類大鍛件沿長度方向移動上砧 寬度的70 80%，繼續鍛打，使軸類大鍛件產生變形，在不對軸類大鍛件進行翻轉操作的 情況下使軸類大鍛件的單向壓縮變形量達到28% 32%;同時在這一過程中前一鍛打段中 已貼合的空穴自動進行原子擴散(擴散焊接)，使空穴徹底消除。(4)重復步驟(3)，消除整個軸類大鍛件中的空穴。為進一步實現本發明目的，所述的軸類大鍛件為含碳量優選為0. 05 0. 65wt% 的碳素鋼材。所述的軸類大鍛件為含碳量0. 05 0. 1 Iwt %的碳素鋼材。所述的軸類大鍛件進一步優選為含碳量0. 57 0. 65wt% d的碳素鋼材。所述的軸類大鍛件進一步優選為含碳量0. 32 0. 39wt%的碳素鋼材。消除軸類大鍛件被鍛打段中的空穴后，沿軸類大鍛件長度方向移動到下一段的距 離為上砧寬度的80%。所述保溫的時間優選為30-40分鐘。一般而言，空穴的原子擴散(擴散焊接)的時間不少于兩分鐘。為了保證空穴上 下面貼合后兩分鐘的焊接時間，鍛件達到規定單向壓縮變形量之后的兩分鐘內，鍛件的溫 度應不低于900°C，并且不能將鍛件翻轉90度進行鍛打。這一時間要求正常操作時都會自 動滿足，不需要為此而特意停留兩分鐘時間。因為某一段在完成規定的單向壓縮變形量后， 在后續段的鍛打過程中便已完成焊接，而完成最后一段鍛打時，又會將鍛件翻轉后從第一 段開始鍛打，同樣可以保證最后一段兩分鐘的擴散焊接時間。與現有技術相比，本發明具有如下有益效果(1)與常規鍛造加工中的拔長過程相比，本發明限制了鍛件翻轉之前的單向壓縮 變形量，克服了只能減小而不能消除空穴的不足。(2)與增加零件設計尺寸的處理方法相比，本發明具有如下優點經過這樣的變 形加工，消除了材料的內部空穴，避免了材料強度的降低，可以不用投入更多的材料達到相 同的強度設計目的，降低了構件的材料成本和重量。
圖1是鋼錠凝固過程中形成的某個內部空穴形狀截面2是鋼錠在單向鍛打過程中某次鍛打后內部空穴形狀的放大3是空穴在Z方向相對的兩個面剛剛接觸時的形狀放大4是空穴完全消除的結果圖。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發明作進一步說明，但本發明所要求保護的范圍并不局限于具體實施方式
中所描述的范圍。實施例1軸類大鍛件為含碳量較低的碳素鋼08鋼(含碳量0.05 0. llwt%)。如圖1所 示，軸類大鍛件是長方體的鋼錠10，其橫截面尺寸為500mmX 500mm，經過射線探傷發現中 心附近存在最大直徑為2. Omm的空穴20，采用鍛打并控制單向壓縮變形量的方法對空穴實 施去除。設計下砧31和上砧32的材料為H13，砧子X方向(左右方向)尺寸L = 800mm, Y方向(前后方向)尺寸B = 300mm。軸類大鍛件截面的左右方向上(X軸方向)，下砧31 和上砧32的尺寸應大于軸類大鍛件截面至少50%。查鍛壓手冊確定08鋼的始鍛溫度為1250°C ；先將鋼錠10在加熱爐中加熱到 1250°C，按手冊規定保溫40分鐘，然后從加熱爐中取出鋼錠，將其水平放置在鍛錘的下砧 31上，上砧32隨錘頭沿Z軸(上下方向)向下鍛打鋼錠，使鋼錠10產生變形，當鋼錠在加壓 方向(Z方向)的壓縮量δ (δ = (Htl-H)A^iVH分別為鋼錠鍛打前、后沿Z方向的尺寸) 達到17%時，如圖2所示，經射線探傷發現空穴20已經變形為細長的橢圓形；當壓縮量δ 達到26. 5%時，射線探傷探測空穴20已經基本變形為如圖3所示的一條縫隙；當壓縮量達 到27%時，射線探傷表明空穴已完全相互貼合。在后續的兩分鐘時間內繼續保持鋼錠溫度 在900°C以上，以便通過原子擴散，最終成為完全消除內部空穴的連續鋼錠10，如圖4所示。 在完成第一段鍛打后，即可以沿Y軸方向將鋼錠移動240mm，完成另外一段材料的內部空穴 的消除。由于軸類大鍛件內部空穴都是真空的，將會在鍛打鋼錠的過程中隨鋼錠整體變形 而被壓扁，空穴Z方向的兩個面的材料會逐漸靠近，當二者相互接觸時，便產生原子相互擴 散，只要保證不低于900°C的條件，兩分鐘就可以完成擴散焊接，從而連接成為無縫的整體， 達到消除空穴的目的。在上述鍛打過程中，如果一次鍛打沒有達到所需要的最終壓縮量，可以對鋼錠進 行多次鍛打。需要說明的是，由于在大鍛件鋼錠的鍛造過程中，必須將鋼錠進行拔長，即沿鋼錠 橫截面方向進行鍛打，以減小橫截面面積，增加鍛件長度；如果鋼錠的某一橫截面內部沒有 這種空穴，上述鍛打也不影響對鋼錠的正常加工。限制900°C的最低變形溫度的目的，是保證空穴貼合后原子具有足夠的擴散能量； 限制達到設定變形量前工件不能進行翻轉鍛打的目的，是防止空穴在貼合之前再次被擴大 尺寸。3、在鋼錠的長度方向(Y方向)上將鋼錠向前移動一段距離繼續鍛打，該距離取砧 子在Y方向尺寸的70-80 %為宜，優選80 %，使每個截面的單向變形量均達到28 % 32 %， 以便完成對整個鍛件消除空穴的加工處理。空穴消除之后，可以按普通鍛造方法對鍛件進行翻轉后繼續鍛打，完成拔長加工，以獲得所設計的軸類大鍛件的工序尺寸。實施例2此例軸類大鍛件鋼錠材料改為含碳量居中的碳素鋼35鋼(含碳量0. 32 0. 39% )；先按手冊數據將鋼錠在加熱爐中加熱到1250°C，保溫35分鐘，按實施例1的操作 過程對鋼錠進行鍛打，經檢測，當單向壓縮變形量達到28. 5%時，射線探傷表明空穴已完全 相互貼合。
實施例3此例軸類大鍛件鋼錠材料改為含碳量較高的碳素鋼60鋼(含碳量0. 57 0.65% )，先按手冊數據將鋼錠在加熱爐中加熱到1200°C，保溫30分鐘，按實施例1的操作 過程對鋼錠進行鍛打，經檢測，當單向壓縮變形量達到30. 6%時，射線探傷表明空穴已完全 相互貼合。上述各例中，加熱溫度和保溫時間均可以查閱鍛壓手冊確定；而所需壓縮量的大 小隨碳素鋼材料牌號的更換而引起的變化不大，只是因為低碳鋼與高碳鋼相比，強度較低， 塑性較好，消除空穴所需要的壓縮變形量較小，而高碳鋼則相對較大。若鋼錠截面尺寸有所減小，只要在400 500mm范圍內，所需壓縮量與上述實施例一致。另外在實施過程中，為了保證實際直徑為1 2mm的多個空穴可以全部消除，并保 證在通常不進行射線探傷的情況下消除空穴過程的可靠性，應適當選取稍大的單向壓縮變形量。因此，根據不同碳素鋼的種類、軸類大鍛件鋼錠尺寸和內部空穴的情況，單向壓縮 變形量取為28 32%。采用本發明的方法，便可以有效地消除軸類大鍛件內部的空穴，提高材料的強度。 若采用常規的鍛造工藝，在對鋼錠進行鍛打時，往往在還沒有達到上述單向壓縮變形量之 前就對鋼錠沿Y軸方向進行90°翻轉，翻轉后再次鍛打時，空穴的壓縮變形便沿著剛成為 橢圓形空穴的長軸方向進行，導致空穴尺寸擴大，從而增加了消除空穴的難度。而采用本發 明的單向壓縮變形量進行控制，便可以先將空穴直接消除，然后再對鋼錠進行90°翻轉，繼 續鍛打成所設計的形狀。
權利要求
一種軸類大鍛件內部空穴的消除方法，其特征包括如下工序(1)根據軸類大鍛件的碳素鋼材料牌號，按照鍛壓手冊規定的加熱規范進行加熱和保溫，加熱溫度為加熱規范的始鍛溫度；所述軸類大鍛件為碳素鋼材，重量為五噸以上，鋼錠材質截面尺寸為邊長400～500mm的正方形；(2)在保持軸類大鍛件溫度不低于900℃條件下，把加熱后的鋼錠的一段水平放在鍛錘的下砧的中間，上砧隨鍛錘的錘頭向下打擊，使軸類大鍛件產生變形，在不對軸類大鍛件進行翻轉操作的情況下使軸類大鍛件的單向壓縮變形量達到28％～32％；使軸類大鍛件被鍛打段中的空穴上下面貼合；(3)在保持軸類大鍛件溫度不低于900℃條件下，將軸類大鍛件沿長度方向移動上砧寬度的70～80％，繼續鍛打，使軸類大鍛件產生變形，在不對軸類大鍛件進行翻轉操作的情況下使軸類大鍛件的單向壓縮變形量達到28％～32％；(4)重復步驟(3)，消除整個軸類大鍛件中的空穴。
2.根據權利要求1所述一種軸類大鍛件內部空穴的消除方法，其特征在于，所述的軸 類大鍛件為含碳量0. 05 0. 65wt%碳素鋼材。
3.根據權利要求2所述一種軸類大鍛件內部空穴的消除方法，其特征在于，所述的軸 類大鍛件為含碳量0. 05 0.碳素鋼材。
4.根據權利要求2所述一種軸類大鍛件內部空穴的消除方法，其特征在于，所述的軸 類大鍛件為含碳量0. 57 0. 65wt%碳素鋼材。
5.根據權利要求2所述一種軸類大鍛件內部空穴的消除方法，其特征在于，所述的軸 類大鍛件為含碳量0. 32 0. 39wt%碳素鋼材。
6.根據權利要求1所述一種軸類大鍛件內部空穴的消除方法，其特征在于，消除軸類 大鍛件被鍛打段中的空穴后，沿軸類大鍛件長度方向移動到下一段的距離為上砧寬度的 80%。
7.根據權利要求1所述一種軸類大鍛件內部空穴的消除方法，其特征在于，所述保溫 的時間為30-40分鐘。
全文摘要
本發明公開了一種軸類大鍛件內部空穴的消除方法，該方法先根據軸類大鍛件的碳素鋼材料牌號，按照鍛壓手冊規定的加熱規范進行加熱和保溫；然后在保持軸類大鍛件溫度為900℃條件下，把加熱后的鋼錠的一段水平放在鍛錘的下砧的中間，上砧隨鍛錘的錘頭向下打擊，使軸類大鍛件產生變形，在不對軸類大鍛件進行翻轉操作的情況下使軸類大鍛件的單向壓縮變形量達到28％～32％；消除軸類大鍛件被鍛打段中的空穴；將軸類大鍛件沿長度方向移動上砧寬度的70～80％后繼續鍛打，消除整個軸類大鍛件中的空穴。該方法在消除軸類大鍛件中的空穴的同時還可提高材料的強度，降低產品成本。
文檔編號B21K1/06GK101823115SQ20101015666
公開日2010年9月8日 申請日期2010年4月20日 優先權日2010年4月20日
發明者向延平, 夏琴香, 宋阿生, 宗偉奇, 程秀全, 謝合清, 霍育林, 黎明 申請人:華南理工大學