工程机械与矿山机械环形锻件应用及制造工艺要点

工程机械、矿山机械工作环境十分恶劣，设备长期承受冲击载荷、交变载荷，粉尘、泥沙磨损，部分设备露天高低温交替作业。环形锻件作为回转支承环、齿轮环毛坯、回转窑滚圈、破碎机配套环件等核心部件，在整套设备当中承担承重、回转、传动功能，部件一旦失效，直接造成整机停机停产，矿山工地停机损失代价巨大。因此工程机械矿山机械用环形锻件，对于强度、冲击韧性、抗疲劳性能、耐磨性能都提出很高要求，锻造制造工艺需要适配恶劣工况的使用需求。

工程机械领域，挖掘机、大型起重机、盾构机核心回转支承毛坯，大量采用环形锻件。回转支承是设备回转核心部件，设备整机重量、挖掘起重载荷全部作用于支承环，持续承受复杂交变力矩，内外圈滚道位置承受反复接触应力，如果锻件内部存在夹杂、晶粒粗大、残余应力超标，运行过程滚道位置容易出现疲劳点蚀、开裂，支承提前损坏。矿山机械场景，球磨机、回转窑滚圈环件，设备连续昼夜运转，滚圈承受巨大静载荷与交变冲击，表面反复摩擦磨损；各类破碎机配套环形构件，工作当中频繁承受矿石冲击，对锻件冲击韧性要求严苛。

该类环形锻件主流选材以 42CrMo、35CrMo 低合金合金钢为主流，部分大冲击工况选用 40Cr，重载耐磨工况会选用更高淬透性合金钢。原材料优先选用炉外精炼钢坯或者钢锭，控制硫磷有害元素，降低非金属夹杂物等级。夹杂物是回转支承环件的重要风险点，滚道位置接触应力很高，聚集夹杂会成为接触疲劳裂纹的起源，造成滚道早期剥落损坏。钢锭下料，充分切除冒口水口缺陷段，规避铸造缩孔疏松残留。

锻造工艺采用自由锻成型，工序涵盖下料、加热、镦粗、冲孔、芯轴扩锻、端面平整。镦粗工序打碎铸态组织，压实内部疏松，保障足够锻造比，厚壁滚圈类大截面环形锻件，锻造比要充分保障，确保锻件芯部充分锻透，不能存在铸态组织残留。锻造加热严格控制升温速率，大截面坯料缓慢升温，防止热应力开裂；严控始锻、终锻温度区间，避免过热过烧，同时不能低温锻造，低温状态钢材塑性下降，冲击载荷锻造极易产生表面裂纹。扩锻成型阶段，做好找正，合理分配每道次压下量，控制毛坯圆度、壁厚均匀性。回转支承毛坯环形锻件，毛坯圆度、壁厚偏差不能过大，否则后续机加工滚道加工余量分布不均，局部位置脱碳层、缺陷无法完全去除，影响成品使用寿命。锻造完工毛坯，外观全面检查，打磨清理裂纹、折叠、结疤等表面缺陷之后转入热处理工序。

热处理工艺直接决定锻件最终力学性能，工程机械矿山机械环形锻件绝大多数采用调质处理，淬火加高温回火，获取高强度与良好冲击韧性。滚圈、回转支承毛坯这类厚壁环形锻件，截面尺寸大，钢材淬透性成为关键，材料选型就要匹配截面厚度，保证锻件芯部也可以得到有效淬硬。淬火过程使用专用工装支撑，防止锻件自重造成形变；厚壁环件淬火之后，及时开展回火，避免淬火裂纹风险。调质之后，根据产品需求配套去应力退火，降低锻件内部残余应力，避免后续机加工之后发生变形，保障滚道加工之后尺寸稳定性。部分齿轮环毛坯，后续还要做表面淬火处理提升表面耐磨性能，前期调质基体组织质量，直接决定后续表面淬火效果，如果基体晶粒粗大，后续表面淬火质量很难保障。

机械加工环节，回转支承毛坯环形锻件，后续需要加工滚道，对锻件毛坯质量要求高。粗加工去除氧化皮脱碳层，粗加工之后部分产品安排去应力处理，释放加工应力，再开展精加工，严格把控内外径、同轴度、圆度、端面平行度。滚道加工位置，不允许残留锻造缺陷，所以毛坯设计加工余量，要保证可以完全去除表层脱碳层以及浅层缺陷。矿山滚圈类大尺寸环形锻件，工件重量大，加工难度高，严格控制尺寸公差，保障装配配合精度。

检测检验工作覆盖全流程。原材料入厂复检化学成分、超声波探伤；锻造毛坯外观尺寸检验；热处理完成之后，开展硬度检测，整件圆周多点打硬度，检查硬度均匀性，避免局部硬度波动过大；成品开展拉伸、冲击力学性能试验；超声波探伤排查内部缩孔、裂纹、夹杂；磁粉探伤筛查表面裂纹折叠。回转支承这类关键部件，严格执行 100% 无损检测。力学取样位置严格按照标准，需要取到锻件 1/2 壁厚位置，反映芯部真实性能，不能只取表层试样，表层性能合格，不代表芯部锻透达标。

工程机械矿山设备大多在野外工地作业，零部件检修更换难度大，停机损失昂贵。部分采购项目，只关注锻件采购价格，压低预算，忽视锻造比、热处理、探伤等关键指标，选用缩减工艺的低价锻件，短期看节省采购成本，设备投入使用之后环件早期损坏，整机停机，带来的损失远超过零部件差价。采购选型时，应当把锻造比、冶炼要求、探伤等级、力学性能指标写进技术协议，不能只简单标注材质牌号。

   行业持续向前发展，工程机械矿山设备不断大型化，环形锻件规格不断加大，对锻造企业设备能力、热处理能力、检测能力持续提出更高挑战。锻造企业持续优化锻造热处理工艺，严控每道工序，制造高可靠性环形锻件，保障工程机械矿山设备在复杂恶劣工况下稳定运行。

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