大型圆饼类锻件的锻造工艺及应用

任 猛 王中安 史翔炜 邓 军 佟景辉

(亚洲重工集团有限公司，江苏214128)

1 历史回顾及RST效应

直到20世纪80年代末，大型管板、顶盖一类的圆饼形锻件的无损检测合格率还仍然是个世界难题。国内各大重机厂连同国外的一些企业，管板的废品率最高达80%以上。有时候，还出现整批报废、甚至连续补投再报废的现象。为此，世界各大重机企业进行了多年持续的研究攻关，先后推出了50多种工艺方法[1]，但还是不能彻底解决问题。

研究结果发现，由于热加工时的摩擦系数较高，在锻造过程中，砧子与坯料接触表面附近存在一个三角形状的难变形区，也称“死区”当进砧宽度超过一定值后，上下两个死区便连接成一片，在继续变形的条件下，死区内部会产生层状刚性滑动撕裂效应，定义为RST效应[2]。

根据RST效应的产生原理和防治办法，北京重机厂于1988年推出了一系列新工艺[3、4]应用到管板、顶盖、平盖、镜板、叶轮和锻板等锻件的生产中，创造了连续数年100%合格率的佳绩。

然而，避免RST效应主要是针对高度尺寸较薄、截面尺寸较小的一类锻件而言。本文将分别对薄圆饼、中厚圆饼和厚圆饼三种情况，全面论述其锻造工艺方法及应用。

2 三种情况下的工艺准则

2.1 薄圆饼类锻件防止RST效应的工艺准则

对于高度尺寸较小的管板一类圆饼形锻件，在锻造成形过程中是不用耽心锻不透的。但是一定要避免产生RST效应，防止内部撕裂缺陷。因为对薄管板的返修改锻是非常困难或不可能的，尤其是直径较大的薄饼类锻件，一旦产生内部撕裂，就只能报废了。

所谓薄是相对的概念，与使用的砧子宽度有关，不同的砧宽对应着不同的结果。通常在成形管板时不会使用较宽的砧子，比如说使用400 mm上平砧、下转台锻造管板时， 400 mm×0.80×0.85=272 mm，此时，我们将高度≤272 mm的管板都列为薄管板。在制定锻造工艺时，可以不用刻意去考虑镦粗拔长、压实锻透的工艺过程，因为该锻件是可以边成形、边锻透的。公式中乘以0.8是考虑最大进砧宽度大约为砧宽的80%左右，乘以0.85是考虑每次大约15%的压下量，因为继续压下会使实际砧宽比加大，同时也向着产生RST效应的临界条件靠近。同样，对于500 mm上平砧，高度≤340 mm的管板为薄管板；而对于600 mm上平砧，高度≤408 mm的管板为薄管板。

在生产薄饼形锻件的情况下，其工艺准则是可以直接拔长、下料、镦粗、旋转压平、滚圆、成形。2.2 中厚圆饼类锻件有效压实的工艺准则

这里对中厚尺寸的定义也与砧宽有关，其上限与所使用的上平砧宽度相等。比如：

对于400 mm上平砧，中厚锻件的尺寸范围为：272 mm

对于500 mm上平砧，中厚锻件的尺寸范围为：340 mm

对于600mm上平砧，中厚锻件的尺寸范围为：408 mm

生产中厚尺寸的圆饼形锻件时，不用耽心产生RST效应和内部撕裂，但是必须要考虑压实锻透。所以，对于中厚尺寸的圆饼形锻件，其工艺准则是先保证压实锻透、再旋转成形。采用的方法既可以是先拔长压实下料，也可以是下料后先镦粗，然后采用超宽砧四趟拔长压实，最后旋转成形。

2.3 厚圆饼类锻件有效压实双保险的工艺准则

厚饼类锻件的尺寸是指其高度大于所使用的上砧宽度。比如使用400 mm上平砧，锻件厚度>400 mm；使用500 mm上平砧，锻件厚度>500 mm；使用600 mm上平砧，锻件厚度>600 mm。

制定厚饼类锻件的工艺准则为首先保证压实锻透，成形时再中心双面压窝，也即双保险的办法。因为厚饼类锻件在成形前的火次中加热时间较长，采用双面压窝的好处是既可进一步增强压实锻透效果，又能使锻件心部产生较大变形，防止热态组织遗传及产生粗晶、混晶。而且双面压窝可使用自制的圆台、实心冲子、压窝饼等。每面压窝的深度约为坯料厚度的13%左右，直径约为锻件厚度的1.35倍～1.5倍左右。

3 各种圆饼类锻件的工艺应用实例

3.1 薄圆饼类锻件典型工艺

某管板尺寸为∅3 100 mm×210 mm，锻件净重12 426 kg，材质20#钢，用25 MN水压机生产。材料选用18 t真空精炼锭，平均直径约∅1 100 mm。对于这样薄的大型管板，在直接锻造成形的过程中，保证变形充分、压实锻透是没有问题的，但必须要重点防范的是，不能产生RST效应造成内部撕裂。其锻造工艺如表1所示。

在薄饼类锻件工艺的成形过程中，必须要给出最后两步控制进砧的程序，否则极易出现因内部撕裂而造成报废的现象。对于这两步程序的尺寸参数，可以按常规锻件的高度尺寸，每10 mm一档(拔长程序可按50 mm一档)，编制出表格，列入到工艺手册[5～8]中去，使用起来方便准确。

3.2 中厚圆饼类锻件典型工艺

某管板尺寸为∅2 520 mm×450 mm，锻件净重17 596 kg，材质20MnMo，用36 MN水压机生产。材料选用26 t真空精炼锭，平均直径约∅1 250 mm。根据中厚管板的有效压实工艺准则，在锻造的过程中，首先要保证变形充分、压实锻透，然后再合理成形、控制终锻温度、不产生热态组织和粗晶混晶。其锻造工艺如表2所示。

表1 薄圆饼类锻件典型工艺Table 1 Typical process for thin disk forging

3.3 厚圆饼类锻件典型工艺

某顶盖尺寸为∅3 200 mm×710 mm，锻件净重44 765 kg，材质20MnMo， 用60 MN水压机生产。材料选用62 t真空精炼锭，平均直径约∅1 800 mm。根据厚管板的有效压实双保险工艺准则，在锻造的过程中，首先要保证变形充分、压实锻透，然后在成形最后阶段双面压窝，进一步增强锻件的心部压实效果，并且不产生热态组织和粗晶。其锻造工艺如表3所示。

4 结论

4.1 本文根据压机在成形圆饼类锻件时使用的最小平砧宽度，将锻件分为薄饼、中厚饼和厚饼三种类型，给出了每种类型的工艺准则及应用实例。

表2 中厚圆饼类锻件典型工艺Table 2 Typical process for medium size disk forging

表3 厚圆饼类锻件典型工艺Table 3 Typical process for thick disk forging

按此方法生产，基本可确保锻件不出现锻造质量问题。

4.2 生产薄饼类锻件时，在工艺中必须要给出最后两趟窄进砧控制程序，以防止因RST效应产生内部撕裂。此方法也可用于大型薄壁锻板的生产工艺中。

4.3 对于中厚和厚饼类锻件，工艺中首先要考虑压实锻透，然后在成形过程中注意控制心部不产生热态组织和粗晶、混晶。

[1] 王珊(傅耆寿).提高大型实心圆饼形锻件的外观和内在质量.重机制造，1986(2)：50.

[2] 任猛、张宝印.RST效应.锻压技术，1991(3)：5.

[3] 任猛，等.大型圆饼类件锻造及RST效应.大型铸锻件，1991(4)：5.

[4] 任猛，等.制造大型优质锻板的工艺条件.大型铸锻件，1991(1～2)：18.

[5] 任猛、董金雷、王中安.优化锻造工艺手册.亚洲重工集团有限公司技术文件，2000.

[6] 任猛.大型钢锭内部孔洞性缺陷锻合过程的数值模拟和实验研究.清华大学博士论文，1987.

[7] 任猛、金锡钢、王祖唐.拔长锻造时的展宽值计算.锻压技术，1989(2)：8.

[8] 任猛，等.极限锻造成形的原理及工艺应用.大型铸锻件，1991(1～2)：13.