D0I:10.13374/i.issn1001053x.1991.04.027 第13卷第4(1)期 北京科技大学学报 Vol,13 No.4(1) 19917 Journal of University of Science and Technology Beijing July 1991 中心压实法对提高锻件质量的影响 邓陟·曹起骧· 摘要：通过高温模拟试验，研究了中心压实法(J,T,S法)锻造时，最件内部孔洞生缺 陷的锻合机理和变形规律，以及对银件内部组织和机械性能的影响。证实了温废梯度的存 在，对提高银件内部质量的有利作用。 关键词：大型最件，锻造变形，中心压实法，高温模拟 Improvement of the Internal Quality of Large Forgings by J.T.S Forging Process Deng Zhi"Cao Qixiang· ABSTRACT:The mechanism and law of consolidation of the internal cavities of large forgings in J.T.S forging process were systematically investigated by high temperature modelling technique.The effect of J.T.S forging process on internal structure and mechanical properties was given.The resuts proved that this process could greatly improved the properties of large forgings. KEY WORDS:large forgings,forging deformation,J.T.S forging process, high temperation modelling 中心压实法（丁.T,S法）锻造工艺以其独特的优点，在关键的大型锻件生产中，作为确 保锻件内部质量的重要工序之一而被国内外应用。但由于问题的复杂性和受研究条件的限 制，至今人们对其锻合锻件内部缺陷的机理和改善锻件内部质量、提高各方面性能的作用， ·1990-06-10收稿 本项目得到国家自然科学基金会的资助 ·压力加工系(Department of Metals Forming) 。·清华大学(University of Tsinghua) 337
第 卷第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 。 。 年 了月 讨 》 中心 压实法对提高锻件质量的影响 邓 险 ’ 曹起壤 ’ ‘ 摘 要 通过 高温模拟 试验 ， 研究 了 中心 压实法 法 锻 造时 ， 锻件内部孔 洞 昌缺 陷 的镶 合机理 和变形规律 ， 以 及对锻件内部 组 织和机械性能 的影响 。 证 实 了 温 度梯度 的存 在 ， 对提 高镶件内 部质量 的有利 作用 。 关键词 大型镶件 ， 锻造 变形 ， 中心 压 实法 ， 高 温模 拟 二 二 。 。 红 。 · · ， ， · · ， 中心压 实法 。 。 法 锻 造 工 艺以其独特的优点 ， 在关键的大型 锻件生产 中 ， 作 为确 保锻 件内部质量的重 要工序之一而被 国内外应用 。 但 由于 题的 复杂性和 受研究 条 件 的限 制 ， 至今人 们对其锻合锻件内部缺陷的机理和改善锻件内部质量 、 提高各方面性能的作用 ， · 一 一 收稿 本项目得到 国家 自然科学基金会 的资助 压力加工 系 清华大学 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1991．04．027
仍不十分清楚，在生产中没能充分发挥其优点。 鉴于以上状况，运用高温模拟技术，研究了该工艺锻合锻件内部缺陷的机理和作用，分 析了工艺参数的影响。 1孔洞闭合、焊合的规律 1.1试验条件 试验分常温和高温模拟试验两部分。 常温试验模拟材料为铅，用以研究实际锻件在锻造温度1250℃、没有温度梯度存在时 的变形规律。铅在室温下缓缓变形时，可消除加工硬化现象，其常温塑性变形性能与高温下 钢的塑性变形性能十分相似，因此符合塑性模拟准则。 高温模拟材料为45钢和转子钢30CMoV。试验时试件加热到1230℃，保温1h后出 炉，先经喷水冷却，用铠装热电偶、X-Y记录仪测量记录试件内外温度变化。当试件内外温 50 7777777 77777777777 (a)砧型排布方式 (b)缺陷礼布置 (c)快陷孔布置 (d)缺附孔形状 方式1 方式2 图1孔洞俊合快拟试监人工缺陷孔布置示恋图 Fig.1 Specimen of modelling test and positions of artificial cavities 差达到要求值时，将其置于液压机上进行中心压实法锻造。 试件截面尺寸均为120mn×120mm,长度则根据拔出方向砧宽比W1/H,的不同而变 化。试件上人工模拟缺陷为横向直通孔，孔径为试件高度的1/30，它比实际锻件的缺陷相对尺 寸大，所以试验结果安全。试件形状、人工缺陷布置和砧型排布如图1所示。上砧宽W:变形 较大，且存在争议，上砧宽W:一般为锻件方坯高度H的0.6~0.7。为此，试验将集中研究 (a)孔洞压台 (b)孔洞蝶合 图3孔洞乐合、焊合过程显微组织 Fig.2 The micrograph of the closing and consolidation of artificial cavities 338
仍不干分清楚 ， 在生 产 中没 能充分 发 挥其优点 。 鉴于 以上 状况 ， 运用 高温模 拟技 术 ， 研 究了 该工艺锻 合锻 件 内部缺 陷的机理和作用 ， 分 析 了工艺参数 的影 响 。 孔洞 闭合 、 焊合 的 规律 。 试 验条件 试 验分 常温和 高温模拟 试验 两部分 。 常温试验模拟材 料 为铅 ， 用 以研 究 实际锻 件在锻 造温皮 ℃ 、 没有温 度 梯 度 存 在时 的变形 规律 。 铅 在室温下缓缓 变形 时 ， 可消 除加 工 硬化现象 ， 其 常温塑性 变形 性 能与 高温下 钢 的塑性 变形 性 能十分 相 似 ， 因此符 合 塑性模 拟准 则 。 高温模拟材 料 为 钢和 转子钢 。 试验时 试件加 热 到 ℃ ， 保 温 后 出 炉 ， 先经喷水 冷却 ， 用 恺装热 电偶 、 一 记录仪测 量记录试件 内外温度 变化 。 当试件内外温 一‘ 牢 刀 夕 ， 砧 型 排布方式 缺 陷孔 布置 方式 缺 右孔 布置 方式 缺 陷 孔 形 状 图 孔洞 锻 合模 拟 试 验 人 工 缺 陷孔 布置示 意 图 七 差达 到要 求值时 ， 将 其置于 液压机上 进 行 中心 压 实法锻造 。 试件截面尺 寸 均 为 ， 长度 则根据拔 出方 向砧 宽 比牙 万 。 的不同而 变 化 。 试件上人 工模拟缺 陷 为横 向直 通孔 ， 孔径 为试件高度 的 ， 它 比实 际锻 件的缺陷相对尺 寸大 ， 所 以试验结果 安全 。 试件形 状 、 人 工 缺 陷布置和 砧型 排 布如 图 所示 。 上 砧 宽 变 形 较大 ， 且存 在争议 ， 上 砧 宽 一 般 为锻 件方 坯高度 。 的 一 。 为此 ， 试验将集 中研究 孔洞 压 合 孔 洞焊 合 图 另 孔 洞 压 合 、 焊 合过 程显微组 织 了
W:的影响，并取W2/H。=0.7不变。 常温模拟试验人工缺陷的临界闭合压下率由“临界压合技术”测定：1)，高温模拟时则 由“压下率递增法”确定，每次压下率增量2%，试件在经一压下率锻压后，从垂直于孔洞方 向锯开。根据中心孔的焊合情况定出临界压下率之值，认为孔洞某处达到图2.b时为焊合。 1,2分析与讨论 常温和高温模拟孔洞压合试验按图1，a、b方式变形，反映实际锻件单砧压下时刚端的 影响：图3、4为锻件上没有温度梯度存在时孔洞闭合的规律和载荷变化。其中，中心孔为5 号孔（图1.b),最大值为全部9个孔都闭合时的临界压下率。 38 34 3r 30 H/H 10 26 22 0.30.40.50.9.70.3 Wo 18 0.40.50.6.70.8 w1/Ho 图3常温模拟试验人工缺陷孔的临界闭合压下 图4常温模拟试验孔涮临界闭合时砧宽比与载 率曲线 荷P的关系 Fig.3 Critical reduction rate curves of Fig.4 Load Varying curve at the critical artificial cavities closing of cavitics 结果表明：在砧宽比W,/H。=0.6时，闭合中心孔和全部孔的临界压下率均为最小。此 时载荷处于变化缓慢阶段，大小适中。砧宽比太小，虽力量可集中于中心，但在翻转压下时易 产生折叠，砧宽比过大，力量分散，中心压实效果不好。综合考虑认为W:/H。=0.6为无 温度梯度时锻造变形的最佳砧宽比。 以45*钢为模拟材料的高温人工孔洞锻合试验，按图1.a、b方式变形，取上砧W:/H。= 0,6,试件内外温差251℃（试件中心温度1141℃，表面温度890℃)，测得中心孔焊合的 临界压下率为14.3%。以此为基础，取上砧W1/Ho分别为0.5、0.6、0.7，进行图1·C示 布孔试件（转子钢)的中心压实法试验。比较在有温度梯度存在时，砧宽比变化对中心压实 效果的影响。试验结果示于图5。 试验结果表明中心压实的工艺过程，产生了十分有利的作用。 (1)能使可变形的夹杂物形状近似球形，有利于提高锻件的机械性能，特别是动载机械 性能。 (2)锻件上存在一定的温度梯度，有助于变形集中于锻件心部（图5），边缘部分金属 因其变形温度低，变形抗力增高，对中心部分金属的变形起了一个限制作用。因此，随压下 率增大，中间部位的孔洞收缩变形的更快，显示了这一锻造工艺比普通锻造工艺，在提高大 339
的影响 ， 并取 。 不 变 。 常温模拟试验人 工缺 陷 的临 界 闭合压下 率由 “ 临 界 压合技术 ” 侧 定 “ ’ ， 高温模 拟 时则 由 “ 压下率递增法 ” 确 定 ， 每 次压下率增量 ， 试件在经 一压下 率锻压后 ， 从垂直于孔 洞方 向锯开 。 根据 中心孔 的焊 合情况定 出临 界压下率之值 ， 认 为孔洞某处达到 图 时 为 焊 合 。 分析与讨论 常温和 高温模拟孔 洞压合 试验按 图 、 方式变形 ， 反映实际锻 件单砧 压 下时 刚端 的 影 响 图 、 为锻 件上 没有温度梯度存 在时孔洞 闭合 的 规律和载荷变化 。 其 中 ， 中心孔 为 号孔 图 ， 最大值 为全部 个 孔都闭合时 的临 界压下率 。 、 、 ， 、 久 、 ， 产 一 、 、 弓卜心 卜，尹一 一 又 下 盯 一一 丁 犷一 一 ’ ， 月 户洲尹 了《 － 一 或分叼 常 温摸拟 试脸人 工 缺陷孔 的临 界 闭合压 下 率曲线 七 图 常温模 拟 试脸 孔洞临界闭合时砧宽 比与载 荷尸 的关系 。 结果 表 明 在 砧宽 比 ， 。 。 时 ， 闭合 中心孔和全部孔的临界压 下率均为最小 。 此 时载荷处于 变化缓慢阶段 ， 大小适 中 。 砧宽 比太小 ， 虽力量可集 中于 中心 ， 但在翻转压下时 易 产生折叠 ， 砧宽 比过大 ， 力量分散 ， 中心压实效果 不好 。 综合考虑 认为 。 为 无 温度 梯度时锻造变形 的 最佳 砧 宽 比 。 以 钢 为模拟材料的高温人工孔 洞锻合试验 ， 按 图 。 、 方式变形 ， 取上砧 、 。 。 ， 试件内外温差 ℃ 试件 中心温度 ℃ ， 表面温度 ℃ ， 测 得 中心孔 焊 合 的 临 界压下率为 。 以此 为基础 ， 取上 砧 牙 ， 。 分 别 为 。 。 、 、 。 ， 进行图 · 示 布 孔 试件 转子 钢 的 中心压实法 试验 。 比较 在有温度 梯度存在时 ， 砧宽比变化对 中心压实 效果 的影响 。 试验结果示于 图 。 试验结果 表明 中心压 实的工 艺过程 ， 产生 了十分有利的作用 。 能使可变形 的 夹杂 物形 状近似球形 ， 有利于提高锻 件的机械性 能 ， 特别是 动载机械 性能 。 锻件上存 在一定 的温度梯度 ， 有助于变形 集 中于锻 件心部 图 ， 边缘部分 金属 因 其变形温度低 ， 变形抗力增高 ， 对 中心部分金属 的变形 起了 一个限 制作用 。 因此 ， 随压下 率增大 ， 中间部位的孔 洞收缩 变形的 更快 ， 显示了这一锻 造工艺 比普通锻 造工艺 ， 在提 高 大
(a)△HH=9% (b) △HH11% (c) 4Hh6=13路 图5高温模拟研究的孔洞闭合规律 Fig.5 The closing low of cavities in high temperature modelling 型锻件内部锻造质量方面，具有更好的效果。 (3)温度梯度相同时，砧宽比W1/H。变化对中心区域孔洞锻合有很大影响。压下率为 14.3%时，从闭合全部孔洞看，砧宽比0.5效果最差，砧宽比0.6和0.7闭合效果接近，砧宽 比06和0.7时，孔洞没有闭合部分的面积分别是原始孔洞面积的4.5%和5.06%。考虑到砧宽 比大、载荷增加因素，可认为，有温度梯度存在时，W1/H。=0.6仍为最佳砧宽比。温度梯 度的变化会使锻件内部的变形程度发生改变，但这种改变对不同砧宽比的影响程度是基本相 同的，因此可以认为，W:/H。=0.6是中心压实法锻造时的最佳砧宽比。 了锻件锻后内部组织和机械性能 以轧辊钢65Cr2NiMo(DZ801)50kg小钢锭为试件材料，试件尺寸为120mm×120mm× 90mm,试验所用钢锭及试件在钢锭上的取料位置见图6。J.T,S法锻造所用工艺参数如文 献C2):温度梯度230℃~270℃，砧宽比形1/H。=0.6,W2/H。=0.7:压方坯对称四面时 压下率取(7~8)%。试件锻压后退火，（加热至850℃~870℃后保温1h,随炉冷至室温）。 按图6取样进行单向拉伸和冲击试验，单向拉伸和冲击试验试样按国际标准制备，试验结果 如表1。 0.90 10- 图B六棱50kg小钢锭尺寸和试件取样示意图 Fig.6 The schematic diagram of ingot size and test sampling 340
，口 ，， 、毛 … 、、 巨 、 ， 口 公全功了。 二 ， △月冷分 △甲几 二 多 图 高温模 拟研究 的 孔洞 闭 合规 律 型锻件内部锻造质量方面 ， 具有更好的效果 。 温度 梯度相 同时 ， 砧宽 比 牙 。 变化对 中心区域孔洞锻 合 有很大影 响 。 压下率 为 。 时 ， 从闭合全部孔洞看 ， 砧 宽比 。 效果 最差 ， 砧宽 比 。 和 。 闭合效果 接 近 ， 砧宽 比 和 时 ， 孔洞没有 闭合部分 的面 积分别是原始孔洞面 积的 。 和 。 。 考虑到砧宽 比大 、 载荷增加因素 ， 可认为 ， 有温度梯度存在时 ， 平 工 万 。 。 仍 为最佳 砧宽 比 。 温度梯 度的 变化会使锻件内部的 变形程度发生改变 ， 但这种改变对 不 同砧 宽 比的影响程度是 基本相 同的 ， 因此可以认 为 ， 。 是 中心压实法锻造时的 最佳 砧宽比 。 锻件锻后 内部组织和机械性能 以 轧辊钢 小钢 锭为试件材料 ， 试件尺寸 为 ， 试验所 用钢锭及试件在钢锭上的取料位置见 图 。 。 。 法锻造所 用工艺参数如 文 献〔 〕 温度 梯度 ℃ ℃ ， 砧宽比平 ， 。 二 。 ， 班 。 。 压方坯对称四面 时 压下率取 。 试件锻压后退火 ， 加热至 ℃ 一 ℃ 后保温 ， 随炉冷 至室温 。 按 图 取样进行单向拉伸和 冲击 试验 ， 单 向拉伸和冲击试验试样按 国际标准制备 ， 试验结果 如表 。 曰 一口 五【 一 目曰 曰 三 图 六棱 小钢锭尺寸 和试件取 样示意 图 么 礴
结果发明：J.T.S法锻造后，试件纵向和表1J.TS法锻后试件心部的机械性能 横向的塑性和韧性性能均有明显提高，纵向和 Table 1 The mechanical properties 横向的塑性性能提高30%及40%左右，冲击性 of the center zone of spe- 能增大2.83倍和1.98倍。中心压实法有效地利 cimen forged by J.T.S 用了温度梯度对锻件心部变形的有利影啊，使 forging process 试件心部金属组织细化，缺陷压实的效果增强， 原始材料 中心压实法锻造 因而，心部的塑性性能大为改善。 纵向 横向 纵向 横向 轧辊锻件退火状态下的机械性能要求t3) 为：g>9MPa,s>4MPa,d>10%,p> Ub,MPa 1010 1053 999 1022 18%,ak>1.6J/cm2。对比表1可以得出： a,MPa 517 513 531 535 直接用J.T.S法锻造，试件心部性能均满足 6,% 11.3 9,1 16.9 15 各项要求，说明以J,T,S法俄造而不进行镦粗 工艺是可行的。 中，% 17 23 21 ak J/cm2 0.91 1.14 3.6 3.1 4结 论 (1)在锻件上造成一定的温度梯度，有助于变形更集中于锻件心部。 (2)J.T,S法锻造时，锻件内部孔洞性缺陷的锻合过程近似收缩变形→焊合的规律，对 于疏松夹杂等缺陷，显示了比普通锻造法具有更好的变形效果。 (3)砧宽比W,/H。=0.6是应用J,T.S法变形的最佳砧宽比，砧宽比过大或过小，都不 利于锻合锻件中心区域的缺陷。 (4)J.T,S法锻造工艺能大大提高锻件内部性能，改善锻件内部组织。 参考文献 1曹起骧等。大型铸锻件，1987,2：1 2邓陟。请华大学机械工程系博士论文，1989 3第二重型机械厂。整锻支承辊材料试验总结（资料），1985,10 341
结果发明 法锻造 后 ， 试件纵向和 横向的塑性和韧 性性能均有 明 显提高 ， 纵 向和 横向的塑性性能提高 写及 左右 ， 冲击性 能增大 。 倍和 倍 。 中心压 实法有效地利 用 了温度梯度对锻 件心部变形 的有利影响 ， 使 试件心部金属组织细化 ， 缺陷压实的效果增强 ， 因而 ， 心部的塑性性能大 为改善 。 车辊锻 件退火状态下的机械性能 要求 〔 “ 〕 为 少 ， 了。 ， ， 护 ， 、 ‘ 。 对 比 表 可 以 得 出 直 接用 。 。 法锻造 ， 试件心 部 性 能 均 满足 各项要求 ， 说 明以 。 法锻造而不进行徽粗 工 艺是可 行的 。 表 。 法锻后试件 心部 的机械性能 原 始 材 料 纵 向 横向 中心 压实法锻造 纵向 横 向 叮 ， 。 ， 日 石违 乙 ， 。 。 功 ， 。 。 。 结 论 在锻 件上 造成 一定 的温 度梯度 ， 有助 于变形 更集 中于 锻 件心部 。 法锻造时 ， 锻 件内部 孔洞性缺陷的锻合过程近似收缩 变形 一焊合的规律 ， 对 于疏松夹杂等缺陷 ， 显示 了 比普通锻造法具有更好的变形 效果 。 砧宽比 牙 ， 。 二 。 是应用 。 。 法变形的最佳 砧宽比 ， 砧 宽比过大或过小 ， 都不 利于锻合锻件中心区域 的缺 陷 。 。 法锻造工艺能大大提高锻件内部性能 ， 改善锻件内部组织 。 参 考 文 献 曹起骤 等 。 大型 铸锻件 ， 了， 邓阶 清华大学机械工程系博士论文 ， ， 第二重型机械厂 。 整锻支承辊材料试验总结 资料