文/孙建华·山东矿机集团莱芜煤机有限公司

30Cr13多通阀锻造工艺设计

文/孙建华·山东矿机集团莱芜煤机有限公司

孙建华，总工程师，主要负责公司技术及质量管理方面的工作。曾主持公司重型模锻车间总体设计、生产线布置、工程建设及设备安装、调试等工作；多台阶法兰辗环生产线技术改造项目的实施。

多通阀是煤矿采煤工作面顶板支护设备液压支架的关键液压元件，承担液压系统多通管路的配液连接，由于工作环境高温湿热，并且需要承担的压力比较大，掘进过程中产生的泥浆可导致产品严重锈蚀，从而缩短产品寿命，因此，产品的选材必须考虑耐蚀性及抗氧化性，同时锻件的生产过程必须按产品工艺规程严格控制，保证产品质量。否则，产品在工作过程中一旦出现开裂、早期失效等质量问题，将造成严重安全事故，带来不可估量的安全隐患和经济损失。

锻件优化设计

多通阀工作环境及强度要求非常高，选用30Cr13材质的圆钢。该材料属于高碳马氏体不锈钢，是一种非常理想的耐腐蚀、耐热型结构材料，特别适合制作高温湿热条件的受力部件。但是，该种材料锻造温度范围小，高温变形抗力大、塑性差，锻造难度大，冷却过程中对冷却速度敏感，锻件容易产生裂纹等缺陷。

该锻件采用模锻工艺制造，重为60kg，锻造工艺流程为，下料→加热（天然气加热炉）→模锻（10t模锻锤）→切边（1000t液压切边机）→冷却及余热退火。

多通阀锻件的原始设计如图1所示，在选择坯料时，如果材料规格过大，锻造过程中，103尺寸部位较窄，局部容易出现飞边，由于飞边变薄后降温速度非常快，导致其变形抗力急剧增大，使上、下模很难闭合，结果造成图1中的1部位顶部充不满，锻件难以成形。经过计算，选择φ200mm规格的材料，这样在锻打过程中，可以保证锻件型腔先大部分充满，再出现飞边，经验证，效果很好。

由于30Cr13材料高温时变形抗力大、塑性差，是锻造难度较大的一种钢材。因此锻件设计时，局部难以充满部位的过渡锻造圆角和拔模斜度要适当加大。锻件原设计结果造成1、2、3部位充不满，2部位还产生折叠现象。

为此经过工艺优化，将1部位两侧面的拔模斜度由5°改为10°，锻造圆角R由5mm改为20mm；2部位拔模斜度由5°改为10°，锻造圆角R由5mm改为15mm；3部位拔模斜度由5°改为30°，锻造圆角R由5mm改为15mm；4部位两侧的锻造圆角R由5mm改为15mm；5部位四周锻造圆角R由5mm改为20mm，如图2所示。改进后，经过试验，以上部位填充情况良好，且无折叠等锻造缺陷出现。

锻造过程控制

下料

由于锻造圆钢表面缺陷较多，下料前要仔细检查圆钢表面质量，发现裂纹或折叠缺陷，及时清理打磨干净后方可下料。下料过程中由于该材料在锯切的过程中粘齿严重，应尽量减小锯片进给量，同时降低锯切速度，防止锯片跑斜、锯切面表面粗糙或斜度太大。坯料转入下道工序之前，必须经过严格的表面探伤，确保钢材表面无裂纹缺陷后，方可转入下道工序。

加热规范制定

坯料的加热设备为天然气加热炉，炉温采用电脑控制。高碳马氏体不锈钢的一般始锻温度为1150℃，终锻温度为925℃。但是为了得到细晶粒组织，终锻温度可比规定温度降低50～80℃，同时考虑到仪表测量误差及其他因素，确定如下加热规范：始锻温度1100℃，终锻温度900℃。加热时，室温装炉，采用分段加热，在炉膛低温区缓慢加热到900℃，保温时间按0.6～0.8min/mm确定，然后推到高温区快速加热到始锻温度，保温时间按0.3～0.8min/mm确定。

锻造及切边

锻造设备采用10t全液压模锻锤，锻造前，模锻型腔表面要进行抛光处理，锻模预热到150～300℃，防止毛坯接触模具表面时温差过大，造成冷却速度过快，而产生裂纹。

图1 锻件原始设计图

图2 改进后的锻件设计图

图3 热处理工艺曲线

锻造时要掌握好锤击力量，力量太小，由于该材质高温塑性差，造成成形时间长，坯料冷却，锻件不能及时成形，局部难成形部位充不满；锤击力量太大，可能产生裂纹而造成废品的产生。为了锻件及时快速成形，锻造时锻模采用石墨乳润滑剂，喷涂石墨时要均匀，产生雾状，防止局部集中喷涂，产生积液。另外，锻打时严格控制终锻温度，当温度低于终锻温度时，必须要回炉重新加热到终锻温度。

终锻结束后，在1000t液压切边机上进行切边。切边时，切边模具预热到150～300℃，防止飞边与切边模刃口接触部位快速冷却、产生裂纹，从而造成锻件报废。

锻后冷却及余热退火

由于30Cr13对冷却速度非常敏感，所以锻件在锻后冷却时，一定要严格控制冷却速度，否则会产生裂纹，一般采用坑冷、灰冷或炉冷。为了既保证锻件达到冷却效果，又能节省能源，采用随炉冷却到400℃后利用锻件余热退火。

锻件切边结束后，要及时趁热装炉。400℃保温1.5h，然后升温到650℃保温1.5h，升温到900℃保温2h后，随炉冷却到600℃保温2h，随后出炉空冷，热处理工艺曲线如图3所示。

按照上述工艺进行试制及生产验证，经检查尺寸符合锻件图设计要求。退火硬度经检测在207～255HB之间，满足锻件热处理后的硬度要求。锻件内部质量经过UT检测，无裂纹缺陷，完全达到产品质量要求。

结束语

通过对30Cr13材质生产的多通阀锻件进行优化设计、锻造工艺、加热工艺、冷却工艺，及锻后热处理工艺的合理制定，并经过反复试制，终于解决了该产品模锻件锻造难度大，产品容易开裂这一难题。

多通阀锻件锻造难度大，质量要求高，要保证稳定的产品质量，必须制定好合理的锻造工艺和严格的过程控制体系，重点注意以下6个环节：

⑴必须要保证原材料的质量，经过表面探伤无裂纹缺陷的材料方可投入生产。

⑵加热时一定要分段缓慢加热，严格控制加热速度，防止加热速度过快，坯料内部和表面温差过大造成坯料开裂。

⑶设计锻件图时，难成形的部位拔模斜度和圆角要加大。否则，局部难以充满，还会出现折叠。

⑷严格控制锻件冷却速度，防止锻件因冷却速度过快而产生裂纹，造成锻件报废。

⑸锻后必须要及时对锻件进行退火，防止产生裂纹。

⑹锻件UT探伤合格后，方可使用。