|
鍛造大型鍛件（通常指重量≥5噸、尺寸≥1米，應用于核電、風電、重型機械、船舶等關鍵領域）是復雜的系統工程，需兼顧**質量穩定性、工藝安全性、性能達標率**三大核心目標，任何環節失誤都可能導致鍛件報廢（成本高）或后續設備故障。以下從全流程角度，梳理關鍵注意事項：
一、前期準備：筑牢基礎，避免源頭風險
前期準備是大型鍛件成功的前提，需重點控制“原料、設備、工藝”三大要素，避免因“先天不足”導致后續問題。
1.原料控制：杜絕“帶病鋼錠”
大型鍛件的原料多為**大型鋼錠**（重量可達數百噸），其純凈度、成分均勻性直接決定鍛件內部質量，是維修和報廢的主要源頭之一。
成分檢驗：必須通過光譜分析、化學分析檢測鋼錠的C、Si、Mn、S、P等元素含量，嚴格控制有害元素（S≤0.015%、P≤0.02%，核電鍛件要求更高），避免熱脆、冷脆缺陷；對合金鋼（如Cr-Mo鋼、Ni-Cr鋼），需確保合金元素分布均勻，防止局部成分超標導致性能不均。
內部探傷：鋼錠鍛造前需進行超聲波探傷（UT）和低倍組織檢驗，排查中心疏松、縮孔、夾雜（如氧化物、硫化物）等缺陷——若鋼錠存在≥φ5mm的集中夾雜或深度＞20mm的縮孔，必須先進行扒皮、補焊處理，否則鍛造后缺陷會被“放大”，無法消除。
預處理：鋼錠需進行“擴散退火”（加熱至1100-1200℃，保溫10-20小時），消除鑄造應力、細化晶粒，避免鍛造時因應力集中導致開裂。
2.設備核查：確?！皾M負荷穩定運行”
大型鍛件依賴重型鍛造設備（如10000噸以上水壓機、快鍛機組、大型臺車爐），設備精度和穩定性直接影響鍛造精度和安全性。
核心設備檢查：
水壓機：檢查液壓系統壓力穩定性（允許波動≤±5%）、滑塊平行度（偏差≤0.5mm/m），避免因壓力不足導致變形量不夠，或平行度差導致鍛件“偏斜”；
加熱爐：校準爐溫均勻性（爐內溫差≤±15℃），檢查熱電偶、紅外測溫儀的準確性，防止局部過熱或加熱不均；
天車/翻轉機：檢查承重能力（需預留20%以上安全余量，如吊50噸鍛件用≥60噸天車）、制動系統可靠性，避免吊裝時鍛件滑落（大型鍛件墜落可能導致設備損毀或人員傷亡）。
輔助設備準備：備好吊具（如鉗式吊具、抱罐吊具，避免單點受力）、測溫儀器（精度≥±5℃）、潤滑冷卻介質（如石墨乳，減少鍛件與模具摩擦）。
3.工藝設計：個性化制定“鍛造方案”
大型鍛件形狀多樣（軸類、筒類、餅類、環形），材質不同（低碳鋼、合金鋼、耐熱鋼），需針對性設計工藝，避免“一刀切”導致缺陷。
確定關鍵參數：
鍛造比：必須滿足≥3（核電轉子、加氫反應器等關鍵件需≥5），通過“鐓粗+拔長”組合工序，破碎鋼錠原始粗大晶粒，消除疏松——若鍛造比不足，鍛件內部會保留鑄造組織，力學性能（如沖擊韌性）不達標；
變形量：單次變形量控制在15%-30%（過大易導致局部應力集中開裂，過小則效率低），如軸類鍛件拔長時，每次壓下量≤直徑的25%；
溫度曲線：明確始鍛溫度（如45鋼1200-1250℃，不銹鋼1150-1200℃）和終鍛溫度（45鋼800-850℃，不銹鋼850-900℃），終鍛溫度過低會導致變形抗力驟增，可能損壞設備；過高則會導致晶粒過熱長大。
模擬驗證：對復雜鍛件（如大型環形件），需通過有限元模擬（如Deform、Forge軟件）預判變形過程中的應力分布，優化模具設計，避免出現“充不滿”“折疊”等缺陷。
二、加熱環節：精準控溫，避免“熱損傷”
加熱是大型鍛件鍛造的核心環節，溫度偏差或速度不當會直接導致“過熱、過燒、脫碳”等不可逆缺陷，占鍛件報廢原因的30%以上。
1.嚴格控制加熱速度：避免“內外溫差裂”
大型鋼錠導熱性差（尤其是合金鋼），若加熱速度過快（如＞100℃/h），會導致表面溫度驟升、心部溫度滯后，產生巨大熱應力，引發表面裂紋。
分段升溫：按“低溫階段慢升、高溫階段穩升”原則，如：
室溫至600℃：升溫速度≤50℃/h（消除鋼錠內應力）；
600℃至始鍛溫度：升溫速度≤80-100℃/h（根據材質調整，合金鋼更慢）；
保溫時間：確保鋼錠內外溫度均勻，保溫時間按“每100mm厚度保溫1-1.5小時”計算（如直徑1米的鋼錠，保溫≥10小時），避免“外熱內冷”導致鍛造時心部未充分變形。
2.防止過熱與過燒：控制“溫度上限”
過熱：溫度超過始鍛溫度50-100℃，導致晶粒粗大，鍛件力學性能下降（如沖擊功降低30%以上），需通過后續正火處理補救，但會增加成本；
過燒：溫度超過始鍛溫度100℃以上，晶界氧化、熔化，鍛件直接報廢（無法修復）。
防控措施：
實時監測爐溫：在鋼錠表面和心部分別插入熱電偶，每15分鐘記錄一次溫度；
控制爐內氣氛：減少氧化性氣氛（如通入氮氣保護），避免高溫下鋼錠表面與氧氣反應導致過燒。
3.減少脫碳層：保護“表面質量”
加熱過程中，鋼錠表面的碳會與爐內氧氣、水蒸氣反應，形成脫碳層（深度＞1mm時，會導致鍛件表面硬度不足、疲勞性能下降）。
控制措施：
縮短高溫保溫時間（在滿足均勻加熱的前提下，盡量減少1200℃以上的保溫時長）；
采用“涂料保護”：在鋼錠表面涂覆耐高溫防脫碳涂料（如鋁酸鹽基涂料），形成保護層；
鍛后檢查：通過酸洗或金相檢驗測量脫碳層深度，超標部分需通過后續machining（切削加工）去除。
三、鍛造過程：規范操作，控制“變形質量”
大型鍛件鍛造需多人協同（操作工、指揮員、測溫員），操作不規范易導致“折疊、裂紋、尺寸偏差”等缺陷，且修復難度大。
1.確保變形均勻：避免“局部應力集中”
軸類鍛件（如風電主軸）：拔長時需“對稱壓下”，每次壓下后旋轉鍛件90°，避免出現“彎曲”或“單邊減薄”；對長徑比＞5的軸類，需使用“V型砧”或“鐓粗后拔長”，防止鍛件失穩彎曲。
筒類鍛件（如加氫反應器簡體）：采用“鐓粗-沖孔-擴孔”工序，沖孔時確保沖頭對中（偏差≤5mm），擴孔時控制碾壓速度（≤10mm/s），避免壁厚不均（允許偏差≤3%）。
餅類鍛件（如汽輪機葉輪）：鐓粗時需控制“壓下速度”（≤20mm/s），避免中心部位因變形過快產生“鼓肚”，后續需通過“平整工序”修正，確保平面度偏差≤0.5mm/m。
2.實時監測溫度：避免“冷鍛”
大型鍛件鍛造周期長（單道次可能需30分鐘以上），溫度會持續下降，需實時測溫，確保終鍛溫度不低于“再結晶溫度”（如45鋼不低于800℃）。
測溫頻率：每道次變形前、變形后各測一次溫度，若溫度低于終鍛溫度，需返回加熱爐“補溫”（補溫溫度不超過始鍛溫度，避免二次過熱）；
禁止“冷鍛”：若鍛件溫度過低（如45鋼低于750℃），變形抗力會驟增（超過設備額定負荷），強行鍛造會導致鍛件開裂或設備損壞（如液壓機缸體變形）。
3.安全操作：防范“重大事故”
吊裝安全：鍛件吊裝時需“兩點起吊”（避免單點受力翻轉），吊具與鍛件接觸部位需墊“耐高溫襯墊”（如石棉板），防止吊具打滑；天車運行時，下方禁止站人，操作人員需與鍛件保持≥5米安全距離。
模具安全：使用前檢查模具表面（無裂紋、凹陷），涂抹石墨乳潤滑（減少摩擦），避免鍛件與模具“粘黏”；對熱模具（如擴孔用的碾壓輪），需實時冷卻（通入冷卻水，水溫≤50℃），防止模具過熱失效。
應急處理：若鍛造過程中發現鍛件表面裂紋（用著色探傷PT檢測），需立即停止鍛造，分析原因（溫度過低、原料缺陷），小裂紋可通過“打磨+補焊”修復，大裂紋則需評估是否報廢。
四、后續處理：消除缺陷，保障“Z終性能”
大型鍛件鍛造后并非成品，需通過冷卻、熱處理、檢測等環節，消除內應力、優化組織，確保性能達標（如強度、韌性、疲勞壽命）。
1.控制冷卻速度：避免“熱裂紋”
大型鍛件鍛造后心部溫度高（可達1000℃以上），若直接空冷，表面與心部溫差大（可達300℃），會產生巨大熱應力，導致表面或內部裂紋。
冷卻方式選擇：
低碳鋼（如Q345）：可采用“空冷”（堆放在通風處，避免淋雨）；
合金鋼（如12Cr1MoV）：需“緩冷”（埋入砂中或放入緩冷坑，冷卻速度≤20℃/h）；
關鍵件（如核電鍛件）：需“控制冷卻”（通入惰性氣體，按預設曲線降溫，如500℃以上降溫速度≤10℃/h）。
冷卻監測：用紅外測溫儀每小時記錄鍛件表面溫度，確保冷卻曲線符合工藝要求。
2.優化熱處理：實現“性能定制”
大型鍛件的力學性能主要通過熱處理實現，需根據應用場景制定方案：
調質處理（淬火+高溫回火）：適用于要求高強度、高韌性的鍛件（如風電主軸），淬火時需控制加熱溫度（如45鋼840-860℃）、保溫時間（每100mm厚度1小時），冷卻介質用“水淬”（低碳鋼）或“油淬”（合金鋼，避免開裂）；高溫回火溫度（如45鋼580-620℃），確保硬度達到HB220-250，沖擊功≥40J。
退火處理：適用于后續需切削加工的鍛件，加熱至Ac3以上30-50℃（如45鋼880-900℃），保溫后隨爐緩冷，消除鍛造應力，降低硬度（HB≤180），便于加工。
時效處理：適用于沉淀硬化型合金鍛件（如某些不銹鋼），通過低溫加熱（如480℃）析出強化相，提高強度。
3.全面質量檢測：杜絕“不合格品出廠”
大型鍛件應用于關鍵領域（如核電、航空），需100%全項檢測，檢測不合格則無法交付。
外觀與尺寸檢測：用卡尺、全站儀測量尺寸（如軸類直徑偏差≤±1mm），目視或滲透探傷（PT）檢查表面缺陷（無裂紋、折疊、劃痕，深度＞0.5mm需修復）；
內部質量檢測：用超聲波探傷（UT）檢測內部缺陷（如φ2mm以上的氣孔、夾雜需標記，密集缺陷需報廢），對核電鍛件還需進行“射線探傷（RT）”，排查細微裂紋；
力學性能檢測：在鍛件“余料”或“試塊”上取樣，進行拉伸試驗（測抗拉強度、屈服強度）、沖擊試驗（測低溫沖擊功）、硬度試驗，確保符合標準（如風電主軸需滿足抗拉強度≥650MPa，屈服強度≥550MPa）；
-金相組織檢測：通過金相顯微鏡觀察組織（如晶粒大小、是否有魏氏組織、馬氏體組織），確保組織均勻，無異常相變。
五、其他關鍵注意事項
1.安全管理：貫穿全流程
操作人員需持證上崗（如特種設備操作證），穿戴耐高溫防護裝備（手套、護目鏡、防火服）；
車間需配備消防設施（如干粉滅火器、消防沙），應對高溫鍛件引發的火災；
定期開展應急演練（如鍛件墜落、設備泄漏），確保人員掌握逃生和救援技能。
2.成本控制：減少“浪費”
原料利用率：優化鍛件“坯料尺寸”，減少切頭切尾量（目標利用率≥85%）；
廢品率控制：通過前期工藝模擬、過程質量監控，將廢品率控制在≤2%（大型鍛件單件成本可達數十萬元，廢品率過高會嚴重影響效益）；
能耗控制：合理安排生產計劃，避免加熱爐空燒（大型臺車爐每小時耗電≥100度），鍛造設備按需啟動，減少待機能耗。
大型鍛件鍛造是“高精度、高風險、高成本”的工藝，核心是“控溫度、控變形、控應力”——從原料檢驗到Z終檢測，每個環節都需嚴格遵循工藝規范，同時兼顧安全和成本。只有通過全流程精細化管理，才能生產出滿足關鍵領域需求的高質量鍛件，避免因細節失誤導致重大損失。
|