大锻件锻造方法简介1．钢锭的结构特点1.1钢的冶炼和浇注大型钢锭用钢的冶炼一般在碱性电炉中进行。

通过电炉冶炼，获得所需要的化学成分，控制好S、P等杂质含量。

对于重要的锻件，钢水还要经过精炼。

精炼多在精炼炉中进行，精炼的主要任务是微调化学成分和真空除气，还可以调整钢水的温度。

钢锭的浇注有上注法和下注法两种，大型钢锭以上注法为多。

对于重要的锻件，在钢锭浇注时往往有特殊的要求，如真空浇注、真空碳脱氧等等。

在精炼炉中真空，和在浇注时真空，都需要有专门的，巨大的真空系统。

真空的目的是尽可能排除钢中所含的氢、氧等有害气体。

提高钢的纯净度，并为缩短锻件第一热处理周期创造条件。

1.2大型钢锭的宏观组织：钢锭内部的组织结构，主要取决于钢锭浇注时钢水过冷与传热条件。

锭身表面层冷却速度快，为细小的等轴晶；锭身中间带为柱状晶，距中心愈近晶粒愈粗大；锭心区为粗大等轴晶，晶间夹杂较多，组织较疏松。

钢锭底部：冷却速度快晶粒细，但该区在钢锭凝固过程中形成一锥形沉积堆，含有大量夹杂物。

冒口：钢水因有保温帽保温，冷却速度最慢。

该区组织结构极松，存在有收缩孔、收缩疏松等大量缺陷。

因此在大锻件的订货技术条件中往往规定水冒口的最小切除量。

在锻造工艺中也要确定水冒口的实际切除量。

1.3大型钢锭内部的主要缺陷：大型钢锭的主要缺陷是偏析、气体、夹杂和疏松。

它们是冶金过程中固有的缺陷，只能减少，不能消除。

偏析：指的是结晶过程造成钢锭的不同部位的化学成分不一样。

气体：在熔炼过程中钢水大量地吸收氢（还有氮）。

当钢中的氢含量超过一定值时，锻造后冷却时就可能产生白点而使锻件报废。

比如国外某公司在核岛锻件订购技术条件中规定钢包分析氢含量不得超过0.8ppm(1ppm=百万分之一)。

含氢量高的钢锭在锻成锻件后，要在锻后热处理中花费大量的时间来扩散氢气以避免白点。

夹杂：夹杂的来源有来自熔炼过程和脱氧产物的，也有来自出钢槽、盛钢桶等外来夹杂。

缩孔和疏松：液态钢和固态钢，都随温度降低而发生体积收缩；从液态变为固态时，也有体积收缩。

钢液在锭模（或砂型）中凝固时，先凝固成与注入钢液差不多高的外壳，中间随着凝固收缩就会向下凹下去。

于是在头部形成大的空洞，即开放缩孔。

如果上部比下部先凝固而发生所谓搭桥现象时，还会形成封闭缩孔，又叫二次缩孔。

封闭在枝状晶格架内的一点点钢液凝固时，因无钢液补充收缩，而形成细小的孔隙，也就是疏松。

钢的凝固、冷却过程中的总收缩量为：ΔV总=ΔV液+ΔV凝+ΔV固此中ΔV液为液态下冷却的收缩量；ΔV凝为金属凝固时收缩量，即金属从从液相点降到固相点中的收缩量；ΔV固为固态下冷却时收缩量。

碳素钢从浇注到室温的总收缩量可以达到10~14%，其中约3.5%~5.7%的液态收缩和凝固收缩,对缩孔和疏松起作用，使得锻造钢锭必须带有供补缩的待切除的冒口；2．锻造的基本任务：2．1自由锻造成有两个基本任务：一是使锻件经济地获得所需的形状，另一是使锻件具有良好的内部质量。

一般中小型锻件的锻造以成形为主；大型锻件（尤其是重要锻件）和特殊钢的锻造以改善内部质量为主。

2．2自由锻对金属组织及性能的作用铸锭（带有许多在浇注、凝固过程中形成的冶金缺陷）经过锻造后:①在足够的变形程度下，可将铸锭中的粗大的铸造组织打碎，分散其非金属夹杂及异相质点；②在正确选择变形方案的条件下，可使锻件的金属纤维在其截面上有正确的分布。

③在较好的应力状态和一定的变形量下，可锻合其内部缺陷，提高金属的致密性；这反映在最后的结果上，大大提高了金属的机械性能（尤其是韧塑性指标）和综合的使用性能。

近几十年以来，随着电力（火电、水电、核电）工业、石化工业、冶金工业、造船工业等的迅猛发展，发电机转子、汽轮机转子、工作辊、支承辊、压力容器、管板等越做越大，质量要求越来越高。

随着无损检测技术的不断完善，对锻件内部致密性的探测愈益精微。

比如300MW汽轮机转子UT要求单个缺陷不超过φ1.6等；管板的UT要求分三个方面：单个缺陷、密集区面积百分比和底波衰减量，过去管板锻件UT合格率一般只能达60%左右。

如果说一般大型锻件对锻造的要求更多地着眼于以上的①②两点的话，那么对于这些高要求的锻件，比如大型发电机、汽轮机转子，蒸发器管板等来说，第③点的要求则是研究的重心。

为此，包括我公司的工程技术人员在内，世界的锻造行业一直在努力开发各种特殊的锻造方法，来作到“将锻件的每一个立方厘米锻透”。

为了达到破碎钢锭的铸态组织、锻合钢锭内部的疏松、孔穴等缺陷的目的，必须具备以下的基本条件：有足够大的变形程度或局部锻比；缺陷周围为静水压（三向压应力）状态；高的锻造温度和一定的保压时间；疏松、孔穴的表面未被氧化。

当然，为了提高锻件的综合力学性能，同时还需要采用其它适当的锻造方法。

迄今为止，已有不少行之有效的特殊锻造方法被广泛采用。

除了最基本的拔长、镦粗以外，最主要的有：FM法、KD法、WHF法、JTS法等等。

下面扼要进行介绍。

此外，从这些基本方法又衍生出一些锻造方法，本文不多赘述。

3.几种锻造方法简介3．1．FM法FM是Free from mannesmann effect的缩写，意思是“免除了曼尼斯曼效应的锻造方法”。

那么什么是曼尼斯曼效应呢？曼尼斯曼效应说的是：当一个矩形截面的毛坯在压机上锻造时，当压机砧子的宽度1w小于锻坯高度h的0．3倍时，在坯料高度的中间会产生纵向的拉应力。

所谓的FM法，就是毛坯变形区中心不出现轴向拉应力，即免除曼尼斯曼效应的锻造方1在锻造方法的论文中，都把砧子的厚度称作为宽度。

这已经是一个定式了。

法。

FM法使用的锻造工具是上用普通平砧，下用大平台。

锻造时锻件经受的是不对称变形。

当砧宽比w/h≥0．4时，保证轴向应力是压应力。

见图2。

也就是在锻件的心部产生三向压应力，从而提供孔隙性缺陷焊合的条件。

日本用116T钢锭锻成汽轮机转子，用330T钢锭锻成发电机转子，都取得了良好的效果。

我公司曾以FM法用100T钢锭不经镦粗，只采用拔长变形工艺锻制φ1400×2800×5765mm大型支承辊（锻比仅为2．25）获得成功。

选用工具为30003000mm平台和1200mm上平砧，砧宽坯高比w/h=0.6。

以FM法经四个道次互成90翻转操作而成。

每个锻件只经过两个火次即完成锻造。

经机械性能、无损检测金相等的检验，表明FM法可有效地锻合大型钢锭的内部疏松、孔洞等缺陷。

3.2.KD法2：K为“宽”字的拉丁拼音kuan的第一个字母，D为“大”字的拉丁拼音da的第一个字母。

KD法意为“使用宽砧子，大压下量的锻造方法”。

KD为我公司工程技术人员经十余年努力所创立并完善。

其要点为：高温扩散加热，宽平砧（后来发展为上、下宽V型砧），大压下量，与后来传入中国的日本锻造技术的WHF法几乎完全相同，而我公司则比日本早应用于生产。

我公司从五十年代末六十年代初开始试制5万KW以下汽轮发电机转子锻件，至1963年以前未能试制成功2。

5万KW扩以上的产品。

·1964年我公司设计制造了1200mm宽的平砧（以前只有850 mm宽的平砧），并于1966年创立了高温扩散，宽砧，大压下量的锻造方法，简称KD法。

·压下量：研究表明，金属内部缺陷的锻合分为两个阶段：第一个阶段为闭合；第二个阶段为焊合，这就要求压机的单次压下有较大的压下量。

原来有12500吨水压机拔长锻造压下量不得超过200 mm的规定，对这条规定作了修改，对不同容量的转子在镦粗后拔长的压下量分别作出规定如下：·延长加热保温时间：为缺陷的焊合保证高温的条件。

将镦粗拔长一火的加热保温时间延长为普通锻件加热保温时间的二倍以上或更多。

于1966年初结合KD锻造法进行由两次镦粗减为一次镦粗的试验，锻造8支２．5万KW 转子获得成功。

·后来又于1975年以上、下V型宽砧代替上平下V宽砧，发展了KD锻造法。

上下V型砧锻造的优点在于变形对称，有利于保持锻件中心线与钢锭中心线的重合；此外也有利于改善钢锭的锻造性能，减少表面裂纹的发生。

·从85年以来又开始制订大压下量锻造的压下操作规程，试用于生产，收到了良好的效2内容引自谢云岫：《我厂转子锻件锻造工艺的演变和发展》—《一重技术》1986。

3。

果。

KD法逐步趋向完善。

现在的KD法的内容是：高温扩散加热，上、下宽V型砧，大压下量。

3.3.WHF法：WHF法即宽平砧强压法。

其原理与上面所讲的早期的KD法是一样的。

但是在砧宽料高比和布砧方式上规定更为细致严密。

另外我公司也已配备了比1200mm更宽的砧子。

WHF 法常与JTS法配合使用，锻造重要的大型锻件。

3.4.JTS法：JTS 法即中心压实法。

是日本于上世纪六十年代开发的一种大锻件锻造方法。

其原理仍然是建立有利于缺陷闭合和焊合的三向压应力的应力场；其手段则是与传统的“趁热打铁”的理念背道而驰：将钢锭（坯料）加热到始锻温度后不直接加压锻造，而是用鼓风机吹风或喷水雾的方法，使其表面快速冷却，形成一个硬壳。

使用较窄的（与锻坯纵轴线平行的）砧子施以强力锻压，金属所受到的锻压犹如在一个封闭的模膛内一样，完全处于一种三向压应力的状态之下。

因此又叫“硬壳锻造法”。

又因为在锻造时，钢锭（坯）被人为地降温，造成了内外达250℃~350℃的温差，因此又叫“差温锻造法”，“降温锻造法”。

JTS 法锻造的变形是不对称的，因此须要压2道或4道。

JTS法是一种公认的行之有效的压实锻件中心缺陷的锻造方法。

我公司于七十年代对ＪＴＳ法的应用进行了大量的试验研究工作。

曾用８７吨钢锭未经镦粗，经由中心压实后直接锻至成品，总锻比仅为２．４４，而锻件粗加工和出厂前的超声波检查均未发现大于φ２当量的缺陷．至1978年，我公司采用中心压实法共生产了31根转子锻件。

随着时间的推移，在万吨水压机两旁支起两排鼓风机来降温的作法，难以持续。

后来在我公司就演变成了钢锭（坯）在加热后出炉空冷，然后用窄砧子强力锻压的工艺。

3.5盘形锻件中心压实法：盘形锻件的中心压实过程见右图所示，这是我们一重的广大工人群众与工程技术人员智慧的结晶。

与日本的圆盘锻件JTS法不同，圆盘中心压实法是先压边后压平，JTS法是锻件加热并预冷后，先将中心部位压出凹档（两面同时压,见下图），然后压平。

圆盘中心压实法操作更为简便。

但圆盘JTS法在锻造有凹档的管板时可将凹档锻造出来。

在压实效果上应该说是殊途而同归。

结束语4.1.对于锻造方法的研究开发,各国工厂、院校、研究所一直在进行中，各种新的思路、方法不断涌现，上面所介绍的只是其中最为主要且在已广泛应用的。

4．2．对于一个具体的锻件，所采用的锻造工艺，往往是几种锻造方法（包括最基本的镦粗和拔长）的综合运用。

还要具体确定各种工艺步骤和参数，这就不在本文的讨论范围内了。