410马氏体不锈钢阀体的模锻工艺及优化

文／游和清·南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司

410马氏体不锈钢阀体的模锻工艺及优化

文／游和清·南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司

借助锻造模拟软件对410马氏体不锈钢阀体模锻成形过程进行了模拟分析，优化了模锻成形工艺。并具体从材料的准备，加热控制、锻造成形几个方面介绍了410马氏体不锈钢阀体的锻造工艺。采用220MN电动螺旋压力机对模拟结果进行了工艺验证。结果表明，锻造工艺与模拟结果基本相符。

随着石油工业技术的迅速发展，油井开发向深井、超深井、大位移井等方向发展，对阀体等石油套管连接件用钢提出了更高的要求，410马氏体不锈钢因具有良好的力学性能和中等程度的耐蚀性等特点已成为石油套管连接件常用钢种。410马氏体不锈钢相当于国内牌号1Cr13，在常温下是铁素体和马氏体的混合组织，属于半马氏体不锈钢。与碳钢和合金钢相比，410马氏体不锈钢具有塑性低、高温下的变形抗力大、锻造温度范围小、导热率低等特点，锻造时极易开裂。

图1为某公司阀体锻件的三维模型，模锻件重418kg。以往该公司采用快锻机自由锻造成形，材料利用率低，锻造过程中经常出现开裂情况，开裂往往在钢锭拔长阶段就已出现，随着锻造的进行，裂纹迅速扩展。采取退火后清理及机床加工去除裂纹再重新加热锻造的生产工艺路线，但裂纹废品时有发生，严重影响了产品的生产周期和制造成本。后改由南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司引进的220MN电动螺旋压力机上模锻，打击能量及行程可程序控制，锻件一火成形，无裂纹、表面质量优良。大大提升了材料利用率和产品质量，缩短了生产周期，降低了生产成本。

图1 阀体锻件的三维模型

工艺分析

图1所示阀体锻件类似十字轴锻件，外廓包容体尺寸为620mm×450mm×335mm，产品执行标准为API 6A，交货状态为退火，退火硬度不超过197HBW。锻件中法兰和大部分轴颈回转面均为非加工面，表面质量要求高。由于锻件沿轴向截面变化大，尤其轴颈处截面急剧缩小，该处在锻造过程中材料流动剧烈，易产生折叠，材料利用率也很难提高，除非采用辊锻或预锻制坯精准分料，但这势必增加设备工装投资和制造成本。

本文将结合我公司设备工作台面较大，能满足多工位锻造的特点，探讨在该设备上镦粗或成形镦粗简单制坯，然后模锻成形，以达既节省成本，又能相对提高材料利用率的模锻工艺。经计算，镦粗后的毛坯最大直径必须大于380mm才能保证锻件最大截面处充满，坯料镦粗高度取560mm，综合考虑镦粗髙径比等因素，设计如下工艺方案，进行数值模拟分析。

图2 镦粗毛坯示意图

方案一：φ310mm×810mm下料→镦粗至高度560mm（镦粗毛坯见图2a）→终锻。

方案二：φ305mm×780mm下料→成形镦粗至高度560mm（镦粗毛坯见图2b）→终锻。

工艺模拟与优化

为保证模拟结果的可比性，两种方案均选用相同的工艺参数，定义始锻温度为1180℃、模具预热温度200℃、摩擦边界条件为水基石墨润滑、热交换边界条件为强热交换，设备压力参数取最大打击能量4400kJ、最大打击速度400mm/s、最大打击力220MN。为了节省运算时间取二分之一模型进行模拟。

成形结果分析

两种工艺方案都成形饱满，成形结果如图3所示。方案一中法兰部位飞边较小，尤其是最后成形部位中法兰小端的飞边更小。颈部及边法兰飞边很大，尤其是边法兰正外侧；方案二中法兰部位飞边相对要大一点，颈部及边法兰飞边相对则小了很多，与方案一相比，其整个飞边更加均匀。从图中还能看到方案一的中法兰小头端与轴颈交汇处有轻微的折叠。

表一为成形模拟结果数据。结果显示，方案一所需终锻成形力比方案二大了24.6%，而材料利用率却低了6.3%。

图3 锻造成形过程

表1 模拟结果对比

以上结果说明，通过前一阶段的镦粗或成形镦粗变形，方案二的成形镦粗分料作用更明显、更趋合理。

金属流线

模锻件相较自由锻件，除了节省原材料以外，还有一个显著优点，就是模锻件的金属流线更理想，一般沿锻件轮廓分布，使锻件具有更优良的力学性能。从流线分布（图4）来看，两种方案的最终锻件金属流线都能沿着锻件轮廓分布。图4a为镦粗终了时的流线，图4b为终锻结束时的流线。经过前道工序的变形，成形镦粗的局部流线网格明显比镦粗的变形剧烈，再经过后道工序终锻的变形后，其流线分布更加均匀，锻后组织也会更均匀。

等效应变分析

应变梯度能够真实、准确地反映变形的均匀性，是衡量锻件变形均匀程度的指标。即应变梯度越小，局部变形的差异越小，由此引起的局部组织不均匀、残余应力就越小，锻件裂纹产生的几率也就越小。图5为终锻结束时阀体中性面上的等效应变分布。两种方案的共同特征是在阀体内部应变具有对称性，最大应变出现在分模处，该处最有可能出现残余应力较大而导致开裂。方案二的应变梯度过渡更平缓，锻件内部应变范围在0.009～3.35之间，方案一的应变范围在0.12～5.19之间，应变梯度过渡较为急剧，结果显示方案二的锻后组织会更加均匀，这也与金属流线趋势一致。

宏观分析，由于成形镦粗后的坯料能达到一定的形状要求，使毛坯更接近终锻工步图，从而改善了金属在终锻模中的流动情况，所以会出现以上结果。结果一致说明方案二更为合理，该方案不仅材料利用率高、成形力低，而且金属流线及锻后组织更加均匀，开裂几率也更低。

图4 锻件金属流线

图5 等效应变场分布图

工艺验证

坯料的准备

大型阀体一般采用锻圆作为坯料直接锻造。马氏体不锈钢对表面缺陷十分敏感，即使是表面细小的裂纹，都会在锻造过程中扩展成裂缝，严重时甚至报废。因此，410锻圆尽量采用剥光或车光料。在加热前仍有缺陷时，要打磨清除，打磨的宽深比应大于1∶ 6。

坯料的加热

从Fe-Cr-C合金相图分析，410马氏体不锈钢在加热温度超过1000～1050℃以后便处于α（δ）+γ两相状态，且钢中α（δ）相的数量随温度的升高而较多的增加，尤其是加热到1180℃以上温度时，δ相急剧增加。在两相共存区进行锻造时，由于两相的相变速率不同，容易出现应力集中，导致铁素体相晶界断裂。据资料介绍，两相中铁素体（α相）量在10%～30%范围内最容易锻裂，因此，应控制410马氏体不锈钢的始锻温度在1180～1200℃之间。

410马氏体不锈钢的终锻温度受其同素异晶转变温度的限制，这一温度约为800℃。但在生产上其终锻温度应控制在900℃左右为宜，因为终锻温度低了，不仅较难锻造，而且锻后内应力也要增大。

410马氏体不锈钢还有一个显著的特点是在700～800℃以下温度的导热系数小，但其导热系数随着温度的升高而增大，在700～800℃范围与普通合金钢的导热系数趋于一致。如果冷态坯料突然加入高温炉急骤升温，会形成较大的热应力，出现裂纹。因此，对于直径大于100mm的毛坯，应采用两阶段加热制度，入炉温度不宜超过550℃，缓慢加热至800℃，保温后快速加热至锻造温度。

模锻

由于410马氏体不锈钢在锻造温度下存在α+γ两相组织，使钢的工艺塑性大为下降，锻造时容易产生裂纹。众所周知，锻造低塑性钢时减小压下量可以有效的防止裂纹的生成。因此，工艺验证时将整个成形过程分为3～4次打击成形，每次40～80mm的压下量，打击能量按轻—重—轻分配，避免打击过重和压下量过大而产生裂纹，同时，也可避免因打击过重使金属流动过快、剩余打击能量过大使锻模表面上产生很大的压力，加快锻模的损坏。

模锻时，模具预热至200～300℃，保证均匀热透。410马氏体不锈钢粘性大、易粘膜。加热产生的氧化皮虽然没有普通碳钢多，但其氧化皮坚硬似磨料，留在模槽内对锻件和模具都非常有害。因此，每次打击之前，模具和锻件都必须润滑，润滑剂必须喷涂均匀。锻后进行热切边，切边温度不应低于850℃。

锻后冷却

410马氏体不锈钢对冷却速度特别敏感，锻后空冷会出现马氏体，内应力很大，容易产生裂纹。为了防止锻后冷却产生裂纹，应采用缓冷。一般是将锻件放在200℃左右的炉渣或石棉保温箱中冷却，也可堆冷。

一般410马氏体不锈钢阀体锻件锻后应及时进行退火处理，退火后锻件硬度不超过197HBW。

经验证，按工艺方案二试制的模锻件，未见任何质量缺陷，表面质量优良，飞边较小且比较均匀。试制结果与模拟结果基本吻合。

结束语

在阀体产品的研发过程中，借助专业的数值模拟分析软件，对成形工艺进行分析、比较优化，为产品的实际生产提供理论依据，同时通过小批量样品试制，对模拟分析结果进行验证确认，试制结果与模拟结果基本相符。证明了模拟分析的科学性，从而达到了降低新产品研发成本、缩短研发周期的目的。