径向锻造是指专门加工实心或空心长轴类零件的旋转锻造方法。锻造成形技术是冶金生产的重要技术, 广泛应用于航空、航天、机械、造船等领域, 在国民经济中占有极为重要的地位。
方法介绍
径向锻造是专门加工实心或空心长轴类零件的
旋转锻造方法。锻造时，分布在棒料圆周方向的锤头(2～8个)对工件快速和同步锻打。如工件为圆截面，则一面低速旋转，一面轴向进给移动;如工件为非圆截面，则只轴向进给而不旋转径向锻造的特点是不需要专用模具，能按预定程序锻出精密的
轴类零件。径向锻造每次压缩量小，每分钟锻打次数高,一般为240～1800次/分，能提高金属的塑性。这种方法可用于
热锻或
冷锻。
设备分类
径向锻造所用设备分精锻机和轮转锻机两类。
精锻机
用精锻机锻造时，工件一面轴向送进一面旋转，锤头径向锻打。这类机器多用程序控制、数字控制或微处理控制系统自动操作，生产效率高，用以建立热锻火车轴等自动生产线和冷锻枪管来复线等。
精锻机有立式和卧式之分。还有一种设备锻造时，工件只送进，不旋转，多用于钢厂，将钢锭直接锻成方钢、
扁钢等。
轮转锻机
轮转锻机有2或4个锤头，锤头一面围绕工件转动，一面对准工件径向锻打，工件只轴向送进。
轮转锻机结构简单，价格低，但自动化程度低，噪音大。
技术发展
锻造成形技术是冶金生产的重要技术, 广泛应用于航空、航天、机械、造船等领域, 在国民经济中占有极为重要的地位。
锻造成形技术是大型冶金设备、机器设备、船舶、汽车等金属零部件的制坯手段之一。机械零部件的传统制坯方法通常有三个途径一是采用铸造方法生产毛坯二是将铸锭轧制成棒材或型材三是采用锻造方法将铸锭锻成所需形状。在这三种方法中, 铸造法由于其铸态组织性能较差,通常用于性能要求较低的零部件。采用轧制方法可改善铸锭的铸态组织, 性能得到了提高, 但轧制的棒材或型材截面形状较为简单, 无法满足异型零部件的形状要求。锻造方法则可以克服上述两种方法的弊病。采用锻造成形技术, 形状及尺寸张洪奎高工年生年毕业于东北大学现从事
工模具钢材料研究电话
可灵活控制, 通过大的变形量充分破碎铸锭的铸态组织, 内部性能得到了进一步提高, 并且可提供形状复杂的零部件毛坯。正因为锻造成形技术具有上述诸多优点, 因此锻造技术越来越受到人们的重视, 得到了突飞猛进的发展。
锻造生产的初期是采用手锤铁砧靠人力使金属变形, 随着各行业零部件的需求不断向大型化发展, 单靠人力生产的零部件已满足不了需求, 于是便出现了新的锻造设备, 并取代了人工操作, 实现了机械操作, 如锤上锻造、水压机上锻造、热模锻压力机上锻造、螺旋压力机上锻造、平锻机上锻造、液压快锻机上锻造、径向锻造机上锻造等锻造形式。
为了追求效益最大化, 要求机械零部件的切削加工量越来越少, 甚至达到无切削的程度, 这就要求提高锻造的尺寸精度。传统的自由锻造方法由于受锻造工具的限制, 以及尺寸控制系统精度的限制, 锻材的尺寸偏差较大, GB908-87中对∅240-250的尺寸偏差规定为+8.0/-3.0mm，这样的尺寸偏差导致切削加工量过大, 不利于下游行业的效益最大化。因此, 在自由锻造的基础上, 出现了径向锻造技术, 采用径向锻造技术生产的锻材尺寸偏差可达到±2.0mm, 极大地提高了锻材外形及尺寸精度。
变形技术
锻造效率高
锻造技术由自由锻造发展到径向锻造, 其使用的锻造工具有了很大变化。自由锻造一般使用上下平砧进行锻造, 通过砧子单方向运动使锭料或坯料受压而产生变形。由于锭料或坯料在自由锻造的情况下宽展和轴向延伸不受工具的限制,变形阻力小, 根据金属塑性变形的
最小阻力定律,自由锻造的锭料或坯料将产生两个方向的塑性变形。而径向锻造一般采用四个锤头,四个锤头在同一平面内分成两组, 锭料或坯料在两个方向受压, 其宽展塑性变形受到工具的限制,金属的塑性变形以轴向延伸为主, 极大地提高了锻造效率。将∅550的铸锭锻成∅245的圆棒, 仅需8min, 而采用自由锻造则需40-45min, 径向锻造∅245的圆棒的小时产量可高达10-12t。
变形温降小
径向锻造变形技术发展到现在, 已由最初的机械式发展到液压式, 锤头打击频次已达到240次/min, 打击次数大大超过了自由锻造（快锻机打击次数仅为80次/min左右), 打击频次的提高不仅可以抵偿金属变形过程的温降, 而且还将导致金属变形后温度的升高, 这已被实践所证实。
例如采用液压式径向锻造机锻造难变形的
高温合金GH4169, 由220mm的方坯锻到∅140, 从第3道次开始, 表面温度升高40-50℃ , 为了控制终锻温度, 需停留一段时间进行最后道次的变形。
正因为径向锻造存在温升的现象, 始锻温度与终锻温度差很小。例如采用径向锻造机将∅550的H13电渣锭锻到∅250的圆棒, 始锻温度与终锻温度差仅为50-60K。
高合金钢, 尤其是
高速工具钢、高合金冷作模具钢等, 因含有大量的合金元素, 造成较为严重的成分偏析, 加之含碳量较高, 碳化物偏析严重, 恶化了热加工性能, 其热加工只能在较窄的温度区间进行。如果加热温度过高, 容易造成钢锭偏析区大量的低熔点碳化物产生过热和过烧现象若终锻温度过低, 则表面塑性变差, 容易产生表面开裂现象。该类钢若采用自由锻造, 锭到材需开中间坯, 需多火次才能完成。例如将430mm×430mm的钢锭锻到∅140的圆棒, 至少需6次锻造, 而且还需要开中间坯。采用径向锻造, 则只需一火次即可完成全部变形过程, 始锻温度与终锻温度差仅为40-50k。这样的结果是自由锻造无法做到的。因此径向锻造变形温降小的特点尤其适合高速工具钢、高合金冷作模具钢、不锈钢及高温合金、钦合金等难变形材料的锻造。
细晶锻造
锭料或坯料在高温锻造时, 结晶、滑移变形和加工硬化伴随发生, 由于应变能增加, 产生新的晶粒并长大, 这个过程成为动态回复与
动态再结晶。
动态再结晶晶粒的大小决定于温度、变形程度和变形速度。在一定的锻造温度区间, 存在着一个临界变形量, 若变形量小于临界变形量, 则再结晶后的晶粒比较粗大。若采用自由锻造, 在拔长操作时, 接触面附近的金属受到的压应力大, 故该区域的金属首先变形, 但很快成为难变形区。
因为随着接触面积的增加, 工具与接触面之间的摩擦力增大, 该区域的变形阻力从而增大了另外, 随着接触面积的增加, 接触面积区域的温度降低较快, 导致变形抗力增加。因此自由锻造被加工材料的表层一定区域为难变形区域, 可能造成表层的晶粒较为粗大。
径向锻造能够克服自由锻造的上述缺点。径向锻造的一个突出优点就是锤头打击频次高, 可以达到快锻的3倍, 一个打击频次最快仅用250ms, 锤头与被加工材料表面的接触时间大为缩短, 表面温降小。另外由于径向锻造锤头打击速度快, 促使变形速度加快, 从而减小临界变形量, 有利于获得细晶组织。据资料介绍, 采用径向锻造技术锻造高温合金, 由340mm方坯锻到203mm八角形, 表层获得了10级晶粒,半径的1/2处晶粒度为8级, 心部为级晶粒度’ 。采用径向锻造技术锻造
冷作模具钢, 由∅416的钢锭锻到∅180的圆棒, 表层与心部均获得10级晶粒。因此径向锻造技术可以做到全截面均匀的晶粒分布。
应用推广
径向锻造变形技术正在向大吨位、高精度、高水平自动化控制的方向发展。目前液压式径向锻造机渐成主流, 大吨位的13MN径向锻造机世界上已有3台, 一台在法国, 一台在日本, 一台在中国宝钢股份公司特殊钢分公司, 型号为SMX500。
宝钢的13MN径向锻造机已成功实现了航空、航天用高温合金GH4169、GH4133B、GH901、GH738,钦合金TC4、TC11、CR2以及高速工具钢W6Mo5Cr4V2, 高合金冷作模具钢Cr12MoV、Cr12MolVl, 不锈钢N1310、17-4PH等难变形材料由锭到材的一火次锻造, 填补了国内空白。通过采用独特的锻造工艺,既保证了表面质量, 同时又提高了内部质量,
高速工具钢往往由于大量的
共晶碳化物偏析容易造成锻造后产生内部裂纹, 采用径向锻造技术可使高速工具钢的
超声波探伤质量明显提高, 可通过∅2平底孔的超声波探伤要求。
典型的高合金难变形材料都可在13MN径向锻造机上生产, 不仅可以锻制圆钢、还可锻制方钢、扁钢、台阶轴、锥形件等形状各异的锻件。
总结
径向锻造变形技术与自由锻造技术相比具有锻造效率高、变形温降小、表层变形较为充分等优点, 可实现
高温合金、钦合金、高速工具钢、高合金冷作模具钢及不锈钢等难变形材料由锭到材的一火次锻造, 锻造效率大为提高。尤其是要求细晶的高合金材料, 特别适合采用径向锻造变形技术。径向锻造技术是锻造技术发展的一次飞跃。