35CrMo钢厚壁管立式反挤压工艺及所用挤压模具

技术领域

发明涉及一种金属加工工艺方法及其所用模具，特别涉及 一种35CrMo钢厚壁管立式反挤压工艺及所用挤压模具。

背景技术

大口径厚壁管在化工和石油机械领域用途广泛，目前常规 的加工方法为热轧和冷轧（拨）无缝钢管两类，热轧无缝钢管 分一般钢管，低、中压锅炉钢管，高压锅炉钢管、合金钢管、 不锈钢管、石油裂化管、地质钢管和其它钢管等。

冷轧（拨）无缝钢管除分一般钢管、低中压锅炉钢管、高 压锅炉钢管、合金钢管、不锈钢管、石油裂化管、其它钢管外， 还包括碳素薄壁钢管、合金薄壁钢管、不锈薄壁钢管、异型钢 管。热轧无缝管外径一般大于32mm，壁厚2.5-75mm，冷轧无 缝钢管处径可以到6mm，壁厚可到0.25mm，薄壁管外径可到 5mm，壁厚小于0.25mm，冷轧比热轧尺寸精度高。

一般用无缝钢管：是用10#、20#、30#、35#、45#等优质 碳结钢16Mn、5MnV等低合金结构钢或40Cr、30CrMnSi、45Mn2、 40MnB等合金钢热轧或冷轧制成的。

然而这种加工方式导致产品强度低，在拉拔生产工艺中容 易出现开裂等现象。

针对35CrMo钢厚壁管立式反挤压工艺进行分析，35CrMo 合金钢变形温度、应变速度与金属流动性之间的对应规律，结 论是：35CrMo在反挤压状态时尽管高的变温度和慢的变形速 度(20mm/s)，按常规理论分析晶粒度会增大，特别动态再结晶 过程充分；变形速度越慢，变形温度越高，晶粒尺寸越大，晶 粒越大-则晶界也越大，那么晶粒越大则材料中的“裂纹”越 大。

发明内容

为了弥补以上不足，本发明提供了一种35CrMo钢厚壁管 立式反挤压工艺，该工艺所得的35CrMo钢厚壁管强度高，制 造成本低。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种 35CrMo钢厚壁管立式反挤压工艺，其步骤如下：

步骤一：钢锭下料；

步骤二：坯料加热；

将坯料放入加热炉内先加热到600℃，保温1h，然后快速 加热到1190℃～1210℃，保温3～7h，然后将坯料冷却至850℃ 以上；

步骤三：模具预热

先将凹模外圈放入加热炉加热至200℃～250℃，然后在

压机上将凹模内圈压入凹模外圈；最后预热上、下模至

200℃～250℃；

第四步：压制成型

a.先在下模底部撒石墨粉，在下模内壁和冲头上涂润滑 剂，下模通冷却水；

b.坯料出炉，除氧化皮，然后在坯料上表面润滑，装料完 成后移入移动工作台；

c.装脱料板；

d.主缸下压到合模位置以上的设定位置，进行坯料第一次 反挤压，然后回程；

e.拆脱料板；

f.锻件内腔底部撒润滑剂，冲头上涂润滑剂；

g.主缸继续下压，压制上下模合模，然后回程；

h.用压机内顶出缸顶松工件；

i.移出移动工作台；

j.用压机外顶出缸顶出工件。

作为本发明的进一步改进，所述润滑剂为石墨。

作为本发明的进一步改进，所述每次撒润滑剂以及在冲头 上涂润滑剂的时间小于20s。

作为本发明的进一步改进，所述坯料除氧化皮的方式采用 预镦除氧化皮的方式，当然也可以采用除鳞机进行除理。

作为本发明的进一步改进，步骤四中压制成型的装脱料板 工序时间小于30s。

作为本发明的进一步改进，步骤四中压制成型的拆脱料板 工序时间小于30s。

作为本发明的进一步改进，所述冲头在向下挤压过程中的 运行速度为60mm/s。

一种35CrMo钢厚壁管立式反挤压用挤压模具，由固定于 压机上垫板上的上模和固定于压机下垫板上的下模组成，其中 上模包括凸模固定板、凸模垫板、镦粗板和冲头，下模包括凹 模、凹模外圈、凹模垫圈、凹模垫板和凹模顶杆，所述凸模垫 板固定于凸模固定板下方，镦粗板和冲头固定于凸模垫板下 方，其中镦粗板套设于冲头外侧，凹模下方与凹模垫圈固连， 凹模外圈紧密套设于凹模和凹模垫圈外侧，凹模外圈下侧与凹 模垫板固连，凹模顶杆滑动插设于凹模垫板内，且凹模顶杆与 凹模垫圈内孔位置正对。

作为本发明的进一步改进，所述冲头的材料为AISI-H-1 热处理3模具钢，且在冲头表面涂覆有一层碳粉。

作为本发明的进一步改进，所述冲头外侧壁为具有7°的 斜度。

本发明的有益技术效果是：本发明采取反挤压工艺加工 35CrMo钢厚壁管，通过先把材料加热到适当的温度，然后分 步反挤压成型，反挤压成形工艺得到的产品，理化和金相表明 金属流线明显，晶粒度达到7级，机性指标均满足用户要求。 据有关资料介绍按热挤压力公式计算,通过统计回归首次得到 了35CrMo合金钢的动态再结晶数学模型。将该模型集成到 Deform数值模拟软件中对动态再结晶过程进行数值模拟,对 比模拟结果（晶粒度和挤压力）与实测值,二者吻合良好。说 明35CrMo合金钢动态再结晶数学模型的正确性,能够应用于 该钢种热成形的组织预测。项目通过反复试验,总结了立式挤 压工艺的成形方案，针对φ593mm(外径)×φ401mm(内 径)×1149mm规格的大口径厚壁管进行计算，在保证厚壁管组 织性能的条件下,采用5～7范围内的挤压比是合理的，而且采 用反挤压工艺成型避免了后续加工程序，节省人工和制造成 本。

附图说明

图1为发明的反挤压模具结构示意图。

说明书附图标记说明：

1——凹模       2——凹模外圈     3——凸模固定板

4——凹模垫板   5——移动工作台板 6——压机上垫板

7——压机下垫板 8——凸模垫板  9——镦粗板

10——冲头        11——凹模垫圈   12——顶杆

13——厚壁管锻件图  14——顶杆垫板 15——凹模顶杆

具体实施方式

实施例：一种35CrMo钢厚壁管立式反挤压工艺，其步骤 如下：

步骤一：钢锭下料：

钢锭下料￠500×885mm，尺寸精确度在±5mm；

步骤二：坯料加热；

将坯料放入加热炉内先加热到600℃，保温1h，然后快速 加热到1190℃～1210℃，保温3～7h，然后将坯料冷却至850℃ 以上，加热后温度应均匀，坯料表面不得有严重氧化皮，不允 许严重脱碳、过热、过烧、内部裂纹等弊病的产生，所用工 具为天然气加热炉，生产中设备故障或模具修理时，若抢修时 间≤1h，炉温保持等待，若≥1h，炉温迅速降至800℃保温；

步骤三：模具预热

先将凹模外圈放入加热炉加热至200℃～250℃，然后在

压机上将凹模内圈压入凹模外圈；最后预热上、下模至

200℃～250℃；

第四步：压制成型

a.在下模底部撒石墨粉，下模内壁涂石墨润滑剂，冲头 上涂石墨润滑剂，下模通冷却水，检查底部顶出板是否落回原 位,撒石墨粉以及涂润滑剂时间要小于20s；

b.坯料出炉，预镦除氧化皮，移出移动工作台装料，坯料 上表面撒石墨粉，装料完成后移入移动工作台，撒石墨粉以及 涂润滑剂时间要小于20s，预镦除氧化皮时，将加热好的坯料 用操作机夹持至预先放置在压机工作平台上的镦粗柱，镦粗压 下量在10～20mm左右，使坯料的氧化皮脱落；

c.装脱料板：装脱料板时间小于30s；

d.主缸下压，行程走到-160mm时回程，总压制行程540mm， 以上下模压靠时的位置为0点，上模接触工件时的位移为 -540mm；

e.拆脱料板：拆脱料板时间小于30s；

f.锻件内腔底部撒石墨润滑剂，冲头上涂润滑剂，撒石墨 粉以及涂润滑剂时间小于20s；

g.主缸继续下压，压至上下模贴合（行程0mm），然后立 即回程，压制完成到回程的时间间隔小于20s，总压制行程 540mm，以上下模压靠时的位置为0点，上模接触工件时的位 移为-540mm；

h.用压机内顶出缸顶松工件；

i.移出移动工作台；

j.用压机外顶出缸（行程300mm）顶出工件。

35CrMo钢厚壁管预成型件锻造致密化过程数值模拟及工 艺优化如下：

成型工艺利用DEFORM-3D软件进行数值模拟分析，采用单 一因素变量法模拟不同的方案，选取最优工艺参数完成锻造过 程，以达到质量的最优化和效益的最大化。下面即对影响锻件 成型的各个因素进行分析，从而确定最优工艺方案：

1.成形速度对厚壁管成形的影响：

在厚壁管热挤压过程中，当挤压变形程度一定时，成形速 度直接决定金属变形速度的大小，影响挤压件的质量、挤压力 大小以及挤压模具温度、应力场的分布状态。在以下模拟中分 别选取成形速度v为15mm/s、30mm/s、60mm/s进行研究。

（1）成形速度对成形载荷的影响其实有两种不同的机 制在相互影响：

成形速度较高时，锻造过程时间较短，锻件内部温度热能 量散失较少，变形热效应相对明显，因此变形抗力较小；但成 形速率较高又容易导致应变速率及加工硬化速度增大（尤其是 对于一些应变速率敏感的材料），变形抗力较大。

通过分析发现本次成型过程，随着变形速度的增加，变形 力先快速降低后缓慢上升。这主要是因为成形速度小时，模具 与工件的接触时间逐渐变长，工件对流散热及辐射传热的时间 也相应增加，导致变形力较大。而当成型速度增加时，由于变 形热效应引起的温度上升不足以完全抵消了加工硬化的影响， 加工硬化的影响开始占主导，因此导致变形抗力略升。

（2）成形速度对锻件终锻温度的影响规律：

工件变形过程中坯料变形过程中的最高温度由1170℃升 高至1200℃，最低温度有656℃上升至724℃，这说明随着初 始温度的升高，材料的流动性增强，工件变形的不均匀性得到 了改善。产生这种效果的原因：1.变形热效应；2.随着变形 速度的增加，模具与工件的接触时间逐渐变短，工件对流散热 及辐射传热的时间也相应减少，最终使得坯料终锻温度略有上 升。

（3）成形速度对模具表层温度的影响规律：

在热挤压过程中模具与坯料之间的热交换、坯料变形及坯 料与模具表面之间的摩擦引起的表层温度升高对模具抗磨损 能力有十分重要的影响。凸模温度随着变形速度的增加，凸模 的最高温度由944℃降低到869℃。这就说明凸模温度与热传 导的时间有关（行程一定的情况下，速度越大，热传导的时间 越短），坯料与模具相互作用时间越长，模具温度上升越明显。 尽管在设备成形速度增加的情况下凸模表面的最高温度有一 定的下降，但869℃的高温也已经超过了凸模的回火温度（H13 回火温度560℃～580℃），模具长时间在该温度下工作，必然 引起表面软化及过度磨损，导致模具寿命低下。

（4）成形速度对锻件应力场的影响规律：

在成形过程中，工件的最大等效应力由307降低到259， 最小等效应变36.1增加到42.2(前后略有波动)。这说明随着 变形速度的增加，最大等效应力明显下降，应力分布趋于更加 的均匀。

优化方案：通过对凸模下行速度的对比模拟分析得知，挤 压速度在一定范围内越大对锻件成型越好，但速度的增大会带 来凸模的磨损加剧，因此要对凸模进行热处理，提高硬度，并 加大凸模的过渡圆角，提高凸模寿命。最终确定凸模速度为 60mm/s。注意在凸模完成锻造任务后要进行及时冷却和润滑， 否则会引起表面软化及过度磨损，导致模具寿命低下。冷却方 式采用喷雾处理,可防止冷却水滴入凹模,并可借冷却水的雾 化作用使模具的冷却均匀。

2.模具初始硬度对凸模磨损量的影响：

此处的模具初始硬度只要针对凸模的初始模具硬度。硬度 表征了模具材料的耐磨程度，而耐磨程度直接关系到挤压模具 的整体寿命。对于冲孔类热挤压，由于冲头工作面积小，工作 行程长，且和高温坯料间存在热传导，因此往往造成表层磨损 快而寿命不长。通常是通过选择热锻模具材料以及合理安排热 处理工艺来实现。现选取凸模初始硬度43HRC，48HRC，52HRC， 55HRC，模拟分析在锻件成形过程中凸模不同的初始模具硬度 所对应的磨损量。

从模拟分析结果上可知，随着凸模初始硬度的增加，凸模 磨损量逐渐减少，在48～52HRC区间变化最为剧烈，当硬度大 于52后，磨损量的变化趋势越来越缓。模具硬度的增加必然 以牺牲模具的韧性为代价，模具硬度不能无限制的增加。

此外，还可以采取一些表面强化的措施来提高模具的抗耐 磨性能，如渗碳处理。考虑到成本及操作的可行性，可以考虑 在工作前在模具型材表面涂覆一层碳粉或者锯末等。工作时这 些物质在高温高压下迅速分解形成较高碳势，对工装模具表层 产生渗碳作用，经过十几次的工作循环，模具表层形成 0.1～0.3mm的硬化层，可大大提高模具的表层硬度和耐磨性， 使寿命大幅度提高。

优化方案：凸模材料采用AISI-H-13热处理，可在模具型 材表面涂覆一层碳粉，提高模具的表层硬度和耐磨性，使模具 寿命大幅度提高。

3.凸模斜度对锻件的影响：

为了便于锻件取出，模具通常制成一定的斜度，但脱模斜 度对金属的填充是不利的。这是因为当锻件外脱模斜度不变， 而内孔脱模斜度的增大的情况下，锻件侧壁呈现下大上小，且 这种趋势越来越明显。金属在这种模具结构下的充填是变截面 挤压过程，金属处于三向压应力状态。为了使填充过程得以进 行，必须使已填充模膛的前端金属满足屈服条件，当模壁的斜 度越大时所需的压挤力也越大。通过作用力与反作用力的分析 即可知，凹模在成形方向上所受的力也会随着脱模斜度的增大 而增大。模拟结果与理论分析的结果完全吻合。在实际生产过 程中就出现过因为内外脱模斜度取得不合适，导致凹模与凹模 连接板之间的螺栓断裂。

优化方案：为保证凸模顺利脱模，可使厚壁管外壁尽可能 的减小斜度（甚至直接变为直筒型），以此来加大厚壁管和凹 模内圈的接触力，降低锻件留在上模的概率。因凹模内设置顶 出杆，所以应将锻件留在凹模内取出。凸模外壁斜度可取7°。

一种35CrMo钢厚壁管立式反挤压用挤压模具,由固定于 压机上垫板上的上模和固定于压机下垫板上的下模组成，其中 上模包括凸模固定板、凸模垫板、镦粗板和冲头，下模包括凹 模、凹模外圈、凹模垫圈、凹模垫板和凹模顶杆，所述凸模垫 板固定于凸模固定板下方，镦粗板和冲头固定于凸模垫板下 方，其中镦粗板套设于冲头外侧，凹模下方与凹模垫圈固连， 凹模外圈紧密套设于凹模和凹模垫圈外侧，凹模外圈下侧与凹 模垫板固连，凹模顶杆滑动插设于凹模垫板内，且凹模顶杆与 凹模垫圈内孔位置正对。

所述冲头的材料为AISI-H-1热处理3模具钢，且在冲头 表面涂覆有一层碳粉。

所述冲头外侧壁为具有7°的斜度。