大截面重型环形锻件锻造难点与工艺优化实践

大截面重型环形锻件，一般指截面厚度大、单件重量大的环形锻件，广泛应用重型压力容器、大型工程机械、冶金设备、重型传动装备。这类锻件钢锭重量大，截面尺寸厚重，在锻造生产当中面临一系列技术难题：钢锭内部缺陷难以充分焊合、锻件芯部变形不足、热处理淬透难度大、锻件内外性能差异大、热处理变形难以控制。大截面重型环形锻件一旦出现质量问题，材料成本损失巨大，所以对锻造企业设备实力、工艺积累、过程管控都提出很高门槛。山西永鑫生重工股份有限公司依托自有大吨位锻造液压机、大型热处理炉，长期承接大截面重型环形锻件订单，结合生产实践分析大截面重型环形锻件锻造难点以及工艺优化思路。

大截面重型环形锻件生产第一个核心难点，钢锭体积重量大，铸态内部缺陷更多。大型钢锭凝固过程，容易出现中心疏松、缩孔残余、非金属夹杂物聚集，这些缺陷集中在钢锭芯部位置。锻造时如果芯部得不到足够塑性变形，疏松缩孔不能够焊合，缺陷残留在成品锻件内部。锻件投入重载工况运行，内部缺陷不断扩展，引发部件失效。小截面环件镦粗简单就可以实现充分压实，大截面重型环形锻件仅仅依靠单次镦粗，芯部变形量有限，表层变形大而芯部变形不足，很难压实芯部原始铸造缺陷。

第二个难点，锻造温度均匀性控制难度提升。大钢锭体积庞大，蓄热能力强，加热时芯部升温慢；锻造过程工件表层散热快温度下降快，芯部温度依旧很高，工件内外温度梯度大。内外温度不一致，造成变形不均匀，表层变形抗力高变形少，芯部变形大，容易造成锻件晶粒大小内外不一致，表层晶粒细小，芯部晶粒粗大，锻件不同位置力学性能离散性加大。如果终锻温度控制不合理，局部温度过高晶粒粗化，局部温度过低锻造开裂。

第三个难点，热处理淬透难题。大截面工件淬火冷却的时候，工件表层冷却速度快，芯部冷却速度缓慢。合金钢依靠淬火得到马氏体组织，截面厚度超过材料淬透层深度之后，芯部无法淬硬，芯部强度、冲击韧性明显低于表层，出现表里性能差距。很多时候取样在锻件表层，力学性能全部达标，但锻件芯部性能不足，实际使用过程芯部发生开裂。选用淬透性不足牌号生产大截面重型环件，单纯增加淬火冷却速度也很难解决芯部性能不足，还会带来巨大热处理应力，造成锻件开裂变形。

第四个难点，热处理变形风险。大截面重型环形锻件自重很大，高温热处理状态下材料屈服强度下降，如果装炉摆放支撑不合理，锻件自身重量就会造成圆度变形、端面翘曲；淬火过程锻件内外冷却收缩不一致，产生巨大热处理应力，引发畸变甚至开裂。大截面环件一旦热处理发生严重变形，后续机加工很难修正，甚至造成锻件整体报废。

针对以上难点，生产过程当中需要开展多方面工艺优化。原材料环节，大截面重型环件优先选用高纯净度钢锭，电炉精炼 + 真空脱气，降低氢含量，控制夹杂物等级，从源头减少钢锭内部缺陷，减轻后续锻造焊合压力。合理设计钢锭重量，核算锻造比，大截面重型关键环形锻件锻造比要充分，不能压缩锻造变形量。锻造工艺优化，采用多次镦粗拔长工艺，而不是单次镦粗，通过反复镦粗变形，让钢锭芯部得到足够塑性变形，焊合中心疏松缩孔缺陷。管控加热制度，大钢锭采用分段升温，低温段放慢升温速率，充分保温，保证钢锭整体温度均匀，减少工件内外温差。锻造过程实时监控工件温度，把控始锻、终锻温度，避免局部过热、过锻。

毛坯余量设计兼顾多重因素，大截面重型环件热处理变形不可完全避免，加工余量需要预留热处理变形修正余量，但是余量也不能过大，机加工切除大量材料，会把锻件性能优良的变形层去除，暴露变形不足芯部组织，同样影响成品性能。

热处理工艺优化，首先合理选材，大截面重型环件优先选用高淬透性合金钢，如 34CrNi3Mo 等镍铬钼系合金钢，提升材料淬透深度，改善芯部力学性能。针对工件截面厚度设计淬火冷却速率，不能盲目加大冷却烈度，避免巨大残余应力引发开裂；优化装炉工装，采用多点支撑，减少锻件自重造成高温蠕变变形；控制升降温速率，减小锻件表里温差，降低热处理应力。取样位置不能只取锻件表层，需要按照标准在代表芯部位置取样检测，真实反映锻件芯部力学性能，避免仅仅表层合格，芯部性能不达标的误判。

检测环节，超声波探伤需要覆盖锻件全部体积，重点关注锻件芯部区域，核查缩孔、夹层残余；力学试样兼顾表层与芯部性能。大截面重型环形锻件不可以仅仅依靠表层试样判定整体质量。

山西永鑫生重工生产大截面重型环形锻件，充分认识大截面锻件各类工艺风险，不盲目承接超出设备与工艺能力的产品。生产前开展工艺评审，结合工件尺寸重量制定锻造、热处理完整工艺方案，管控锻造比、加热保温时间、热处理冷却制度。完整留存工艺记录，理化取样兼顾芯部性能，探伤全面覆盖，支持客户监造和第三方复检。

   大截面重型环形锻件制造，不存在捷径，不能够依靠简化锻造工序、压缩热处理周期换取交付速度。需要锻造企业尊重材料客观规律，重视钢锭纯净度、充分锻造变形、适配热处理方案，实事求是看待大截面锻件工艺局限性，合理设置技术指标，才能够稳定产出合格大截面重型环形锻件，服务于各类重型装备项目。

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