CN112536406B - 一种避免表面开裂的锻造拔长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属压力加工工艺技术领域，具体涉及一种避免表面开裂的锻造拔长方法。包括以下步骤：S1：坯料加热；S2：锻造第一个行程，旋转90°锻造第二个行程，旋转90°锻造第三个行程，以此类推，继续锻造；S3：步骤S2得到的锻件旋转45°，锻造第一个行程，旋转90°锻造第二个行程，旋转90°锻造第三个行程；以此类推，继续锻造；S4：将第N‑1次锻造得到的坯料按照步骤S3重复锻造至至工艺要求尺寸；S5：最后将经过步骤S4得到坯料滚圆精整至成品要求尺寸。按照本发明的方法，锻造的高氮马氏体不锈钢钢棒表面质量完好，不会出现表面开裂的缺陷，极大提升了高氮马氏体不锈钢钢棒在生产过程中的成材率。
Description
技术领域
本发明属于金属压力加工工艺技术领域，具体涉及一种避免表面开裂的锻造拔长方法。
背景技术
30Cr15MoN钢是一种高氮马氏体不锈钢，强度、硬度高，耐腐蚀性、耐磨性、韧性好，因其优异性能，优先应用于大飞机、战斗机、航空航天领域。30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢是我国高精尖端国防建设常用的材料，但是其生产技术一直被国外掌控，基本依赖进口，耗资巨大，而且随时面临着禁运的风险，因此实现该钢种的国产化尤为必要。
30Cr15MoN钢作为一种高氮钢，热塑性差，在锻造过程中很容易出现开裂和组织不均匀的现象，国内虽然对高氮钢锻造工艺也有一定研究，但仍在起步阶段，无法很好地解决该问题。例如：专利申请CN106623712A公开了一种40Cr15Mo2VN高氮不锈钢锻件成形方法,先将40Cr15Mo2VN钢锭在压力机上进行镦粗、冲孔，然后进行平高度，再在环轧机上轧制成形，该专利通过严格控制转移时间、锻造时间以及锻造温度防止温度降至终锻温度以下，进而避免出现锻件开裂的问题。该方法从温度控制上考虑，虽然对于开裂现象有所改善，但是适用性有限，该专利是针对环状锻件设计，若是要生产棒材，势必要加入拔长工序，现有的不锈钢钢棒生产方式普遍为反复镦粗拔长，拔长采用四方拔长或者无序拔长,用这种方式生产高氮钢棒材，即使优化了温度控制，反复镦粗拔长过程易使钢内部应力分布不均，也会导致钢的开裂，还极易导致组织不均匀，影响钢的力学性能，因此钢的成材率和合格率都不高，而且锻造火次多，能源消耗大，生产效率低。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种避免表面开裂的锻造拔长方法，通过本发明锻造的钢棒不会出现开裂现象，钢棒组织均匀，各方面性能优越，生产效率高，能满足高精尖端项目用材要求。
为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种避免表面开裂的锻造拔长方法，包括以下步骤：
S1：将坯料在加热炉内加热保温，然后出炉锻造；
S2：第一次拔长锻造；采用平砧锻造第一个行程，第一个行程锻造结束后旋转90°锻造第二个行程，第二个行程锻造结束后再旋转90°锻造第三个行程，第三个行程锻造结束后再旋转90°锻造第四个行程；以此类推，继续锻造，直至锻至工艺要求尺寸；此过程锻造结束时，坯料截面呈方柱状，并且锻打的四个面任意相邻的两个面均通过过渡面衔接，即锻打结束时锻件在截面上有八条边；
S3：第二次拔长锻造；将第一次拔长后的锻件旋转45°，锻造第一个行程，第一个行程锻造结束后旋转90°锻造第二个行程，第二个行程锻造结束后再旋转90°锻造第三个行程，第三个行程锻造结束后再旋转90°锻造第四个行程；以此类推，继续锻造，直至锻至工艺要求尺寸；此过程锻造结束时，坯料截面呈方柱状且尺寸较第一次拔长锻造后得到的坯料小，锻打的四个面任意相邻的两个面均通过过渡面衔接，即锻打结束时锻件在截面上仍然有八条边；
S4：第三次拔长锻造；将步骤S3得到的坯料按照步骤S3重复锻造一遍至工艺要求尺寸；
S5：第N次拔长锻造；将第N-1次拔长锻造得到的坯料按照步骤S3重复锻造至至工艺要求尺寸；
S6：最后将经过步骤S5得到坯料滚圆精整至成品要求尺寸。
作为优选，所述坯料为高温塑性差、热敏感性高的钢种（如：30Cr15MoN、0Cr19Ni9N、4Cr5Mo1SiV1等）。
作为优选，所述坯料的钢种为高氮马氏体不锈钢。
作为优选，所述的高氮马氏体不锈钢为30Cr15MoN，以30Cr15MoN为例，其坯料按质量百分比计包括以下组分：C 0.28-0.34%、Si 0.30-0.80%、Mn 0.30-0.60%、S≤0.01%、P≤0.02%、Cr 14.5-16%、Mo 0.95-1.1%、N 0.35-0.44%、Ni≤0.30%、Al≤0.035%、Ti≤0.003%、Cu≤0.25%、O≤0.0025%，余量为铁及不可避免杂质。
作为优选，步骤S1具体为：将钢锭加热至700~720℃预热，保温时间2小时后，以不超过80℃/h的升温速度加热至1200~1250℃，对钢锭进行保温，保温时间不低于3小时后出炉进行第一次拔长锻造。
作为优选，在步骤S2完成后，将坯料回炉升温，温度为1200~1250℃，保温时间2h后出炉进行第二次拔长锻造。
作为优选，在步骤S3完成后，将坯料回炉升温，温度为1200~1250℃，保温时间2h后出炉进行第三次拔长锻造。
作为优选，在步骤S2～S6中，每道次锻造变形量不得大于70mm。
作为优选，在步骤S2/S3/S4/S5/S6中，每一次拔长锻造过程中，坯料始终沿一个方向进行旋转，且每一个行程锻造结束后将坯料旋转90°锻造下一个行程。
作为优选，在步骤S2/S3/S4/S5/S6中，每一次拔长锻造完成后，必须是将坯料旋转45°后进入下一次拔长锻造。
作为优选，在步骤S2/S3/S4/S5/S6中，每一次拔长锻造过程中，必须保证锻打的四个面避免相交，即每一次拔长锻造完成时坯料的横截面必须保留有八条边。
本发明通过八边四方锻造工艺，结合优化的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢组分配方，将粗坯制成了不开裂、组织均匀、力学性能优异的不锈钢钢棒。为克服现有锻造工艺30Cr15MoN钢易开裂和组织不均匀的问题，本发明首先优化锻造方式，以“不镦粗直接拔长，拔长采用八边四方法”替代现有技术中普遍采用的“反复镦粗拔长，拔长采用四方拔长或者无序拔长”的方式，有效降低了内应力损害，缓解了开裂的问题，减少了组织缺陷的产生，同时有效减少了锻造火次，提高了生产效率；更加优化的，拔长过程通过严格控制每火次的终锻温度以及每道次锻打变形量进一步降低了产生开裂和组织不均匀问题的可能性；在优化锻造方式的同时本发明还进行了严格的温度控制，具体包括每步工序的温度大小控制、保温时间设置、工装和钢锭预热以及升温速度控制，减少钢材内外的应力差，避免钢的塑性下降，进而降低锻造难度，确保锻造效果。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明锻造的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒表面质量完好，不会出现表面开裂的缺陷，极大提升了30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒在生产过程中的成材率。
2、本发明锻造的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒金相组织均匀，避免了因组织不均匀导致的产品性能不合格。
3、本发明锻造的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒锻造加工效率高，减少了锻造生产火次，降低了其制造成本。
附图说明
图1：本发明实施例1中锻造过程采用的“八边四方”法拔长的过程示意图；
图2：实施例3制得钢棒的头部显微组织照片；
图3：实施例3制得钢棒的尾部显微组织照片。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例1
本实施例为优选实施例，提供一种30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的锻造生产工艺，所述的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢按质量百分比计包括以下组分：C 0.30%，Si0.65%，Mn 0.45%，P 0.013%，S 0.002%，Cr 15.1%，Ni 0.26%，Mo1.0%，Cu 0.06%，N 0.38%，余量为铁及不可避免杂质；所述的锻造生产工艺包括以下步骤：
S1、将直径￠440mm的30Cr15MoN钢锭加热至700℃预热，保温时间2小时后，以不超过80℃/h的升温速度加热至1220℃，对钢锭进行保温，保温时间5小时出炉锻造，锻造回炉升温温度为1220℃保温时间2h；
S2、对钢锭采用“八边四方”法进行拔长。如图1所示，具体操作如下：
修磨锻造工装，使其与钢锭接触的表面平滑无毛刺，棱角部位圆弧光滑过渡；并将锻造工装预热至170℃；
在3150吨水压机上，不镦粗直接拔长，使用宽度800mm平砧，采用“八边四方”法进行拔长，如图1所示，对圆锭先压1/2/3/4四个面，第一次拔长至截面尺寸330mmx330mm后回炉升温；然后将工件旋转45︒压5/6/7/8四个面，第二次拔长至截面尺寸250mmx250mm后回炉升温；再将工件旋转45︒压1/2/3/4四个面，第三次拔长至截面尺寸195mmx195mm（整个锻造过程锻打1/2/3/4四个面时按照1/2/3/4/1/2/3/4/1/2/3/4这样的顺序进行锻打，锻打5/6/7/8四个面时按照5/6/7/8/5/6/7/8/5/6/7/8这样的顺序进行锻打；每道次锻打的变形量不得大于70mm；每次回炉升温至工件表面温度不低于950℃，回炉升温保温时间2h）；最后滚圆精整至成品要求尺寸￠200±5mm。
实施例2
一种30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的锻造生产工艺，所述的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢按质量百分比计包括以下组分：C 0.28%，Si 0.30%，Mn 0.30%，P 0.009%，S0.002%，Cr 14.5%，Ni 0.18%，Mo0.95%，Cu 0.06%，N 0.35%，Al 0.009%，余量为铁及不可避免杂质；所述的锻造生产工艺包括以下步骤：
S1、将直径￠440mm的30Cr15MoN钢锭加热至700℃预热，保温时间2小时后，以不超过80℃/h的升温速度加热至1220℃，对钢锭进行保温，保温时间3小时出炉锻造，锻造回炉升温温度为1220℃保温时间2h；
S2、对钢锭采用“八边四方”法进行拔长。如图1所示，具体操作如下：
修磨锻造工装，使其与钢锭接触的表面平滑无毛刺，棱角部位圆弧光滑过渡；并将锻造工装预热至180℃；
在3150吨水压机上，不镦粗直接拔长，使用宽度800mm平砧，采用“八边四方”法进行拔长，拔长方法同实施例1，尺寸上有所差异，第一次拔长至截面尺寸340mmx340mm；第二次拔长至截面尺寸280mmx280mm；第三次拔长至截面尺寸220mmx220mm；第四次拔长至截面尺寸175mmx175mm；最后滚圆精整至成品要求尺寸￠190±5mm。
实施例3
一种30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的锻造生产工艺，所述的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢按质量百分比计包括以下组分：C 0.34%，Si 0.80%，Mn 0.60%，P 0.02%，S0.01%，Cr 16%，Ni 0.25%，Mo1.1%，Cu 0.18%，N 0.44%，Al 0.032%，Ti 0.003%，O 0.0020%，余量为铁及不可避免杂质；所述的锻造生产工艺包括以下步骤：
S1、将直径￠640mm的30Cr15MoN钢锭加热至700℃预热，保温时间2小时后，以不超过80℃/h的升温速度加热至1220℃，对钢锭进行保温，保温时间5小时出炉锻造，锻造回炉升温温度为1220℃保温时间2h；
S2、对钢锭采用“八边四方” 法进行拔长。如图1所示，具体操作如下：
修磨锻造工装，使其与钢锭接触的表面平滑无毛刺，棱角部位圆弧光滑过渡；并将锻造工装预热至175℃；
在3150吨水压机上，不镦粗直接拔长，使用宽度800mm平砧，采用“八边四方”法进行拔长，拔长方法同实施例1，尺寸和拔长次数上有所差异，第一次拔长至截面尺寸490mmx490mm；第二次拔长至截面尺寸400mmx400mm；第三次拔长至截面尺寸340mmx340mm，第四次拔长至截面尺寸280mmx280mm；最后滚圆精整至成品要求尺寸￠300±5mm；
S5.红送退火：将锻后棒料加热到900℃保温3.5h，后随炉降温至750℃保温4.5h，保温结束后关火随炉降温至低于600℃出炉空冷；然后车至成品尺寸￠280mm。
对实施例1-3制得的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒进行性能测试，测试项目和测试结果如下：
①开裂情况
目测实施例1-3制得的钢棒表面，均未产生裂纹。
②组织状态
a.非金属夹杂物
测试方法参照ASTM E45,Method D法，测试结果如下：
b.低倍组织
测试方法参照ASTM A604中相关图谱，测试结果如下：
c.显微组织
按照SEP 1520中相关图谱进行评定，测试结果如下：
如图2和3给出了实施例3制得钢棒的头、尾部显微组织照片，可以看到，钢棒头、尾部组织形态相同，晶粒大小一致，组织均匀性好。
③力学性能
对钢棒的硬度和抗拉强度进行测试（参照GB/T 231.1规定方法测试退火硬度，参照GB/T 230.1规定方法测试硬化性能硬度，参照GB/T 228.1规定方法测试抗拉强度），测试结果如下：
综上，按本发明工艺锻造的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒不会开裂；无明显组织缺陷，组织均匀性好，组织状态良好；力学性能好。
本具体实施方式仅仅是对本发明的解释，并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读了本发明的说明书之后所做的任何改变，只要在本发明权利要求书的范围内，都将受到专利法的保护。
Claims (4)
1.一种避免表面开裂的锻造拔长方法，包括以下步骤：
S1：将坯料在加热炉内加热保温，然后出炉锻造；
S2：第一次拔长锻造；采用平砧锻造第一个行程，第一个行程锻造结束后旋转90°锻造第二个行程，第二个行程锻造结束后再旋转90°锻造第三个行程，第三个行程锻造结束后再旋转90°锻造第四个行程；以此类推，继续锻造，直至锻至工艺要求尺寸；此过程锻造结束时，坯料截面呈方柱状，并且锻打的四个面任意相邻的两个面均通过过渡面衔接，即锻打结束时锻件在截面上有八条边；
S3：第二次拔长锻造；将上一次拔长后的锻件旋转45°，锻造第一个行程，第一个行程锻造结束后旋转90°锻造第二个行程，第二个行程锻造结束后再旋转90°锻造第三个行程，第三个行程锻造结束后再旋转90°锻造第四个行程；以此类推，继续锻造，直至锻至工艺要求尺寸；此过程锻造结束时，坯料截面呈方柱状且尺寸较第一次拔长锻造后得到的坯料小，锻打的四个面任意相邻的两个面均通过过渡面衔接，即锻打结束时锻件在截面上仍然有八条边；
S4：第三次拔长锻造；将步骤S3得到的坯料按照步骤S3重复锻造一遍至工艺要求尺寸；
S5：第N次拔长锻造；将第N-1次拔长锻造得到的坯料按照步骤S3重复锻造至工艺要求尺寸；
S6：最后将经过步骤S5得到坯料滚圆精整至成品要求尺寸；
步骤S2~ S5中，每道次锻打的变形量不得大于70mm；
所述坯料为30Cr15MoN，按质量百分比计包括以下组分：C 0.28-0.34%、Si 0.30-0.80%、Mn 0.30-0.60%、S≤0.01%、P≤0.02%、Cr 14.5-16%、Mo 0.95-1.1%、N 0.35-0.44%、Ni≤0.30%、Al≤0.035%、Ti≤0.003%、Cu≤0.25%、O≤0.0025%，余量为铁及不可避免杂质；
步骤S1具体为：将钢锭加热至700~720℃预热，保温时间2小时后，以不超过80℃/h的升温速度加热至1150~1250℃，对钢锭进行保温，保温3小时以上后出炉进行第一次拔长锻造；
在步骤S2完成后，将坯料回炉升温，温度为1150~1250℃，保温时间2h后出炉进行第二次拔长锻造；
在步骤S3完成后，将坯料回炉升温，温度为1150~1250℃，保温时间2h后出炉进行第三次拔长锻造。
2.根据权利要求1所述的一种避免表面开裂的锻造拔长方法，其特征在于：在步骤S2/S3/S4/S5/S6中，每一次拔长锻造过程中，坯料始终沿一个方向进行旋转，且每一个行程锻造结束后将坯料旋转90°锻造下一个行程。
3.根据权利要求1所述的一种避免表面开裂的锻造拔长方法，其特征在于：在步骤S2/S3/S4/S5/S6中，每一次拔长锻造完成后，必须是将坯料旋转45°后进入下一次拔长锻造。
4.根据权利要求1所述的一种避免表面开裂的锻造拔长方法，其特征在于：在步骤S2/S3/S4/S5/S6中，每一次拔长锻造过程中，必须保证锻打的四个面避免相交，即每一次拔长锻造完成时坯料的横截面必须保留有八条边。
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