專利名稱：一種無磁鋼厚壁環形鍛件的制造方法
技術領域：
本發明涉及一種汽輪發電機組或核電站用的鍛件，特別涉及一種無磁鋼厚壁環形鍛件的制造方法。
背景技術：
護環鍛件是汽輪發電機組的主要部件之一，套裝在轉子兩端部，它對轉子端部繞組起著固定、保護、防止變形、位移和偏心作用。護環鍛件承受轉子繞組端部及自身的巨大離心力、彎曲應力及熱套應力等，同時還須防止轉子端部因漏磁造成損耗而影響電機效率。它是汽輪發電機組承受應力最高的部件。為了保證機組的安全運轉，要求護環鍛件要有足夠高的強度和塑性指標、均勻的力學性能和最小的殘余應力，以及具有低磁性或無磁性。具備以上條件的護環鍛件必須用奧氏體無磁鋼材料來制造，由于無相變奧氏體鋼，不能通過傳統的材料熱處理方式來提高其強度，只能通過材料的冷變形強化來達到目的，冷變形強化是當護環這種環形無磁鋼鍛件的外形被拉長或壓扁時，其內部晶粒的形狀也隨之被拉長或壓扁，導致晶格發生畸變，使金屬進一步滑移的阻力增大，因此金屬的強度和硬度顯著提高，塑性和韌性明顯下降，產生所謂“變形強化”現象。現有護環鍛件的冷變形強化，一般是采用高壓由內向外進行“脹形”強化，內壁變形量較外壁大，由于其外圓是局部受力變形，造成了鍛件內部會產生一定的殘余應力，該殘余應力會降低環形無磁鋼鍛件的實際強度、降低疲勞極限，造成應力腐蝕和脆性斷裂，由于殘余應力的松弛，還使零件產生變形，大大的影響了構件的尺寸精度，局部殘余應力有時可達到很大的數值，甚至可能造成顯微裂紋并導致鍛件的破壞，因此降低和消除環形無磁鋼鍛件的殘余應力十分必要。目前現有方法是在環形無磁鋼鍛件由內向外變形膨脹擠壓后直接采用后期“消除應力熱處理”工藝進行熱處理，即將環形無磁鋼鍛件緩慢加熱到較低溫度(例如300 450°C )，保溫一段時間，使金屬內部發生弛豫，然后緩冷下來。由于無磁鋼鍛件由內向外冷變形后殘余應力較大，直接用熱處理的方法只能去除部分殘余應力，并不能將內應力完全去除，常常不能完全滿足要求，且如果熱處理次數過多、時間過長，即使殘余應力值滿足了要求，但是卻造成了環形無磁鋼鍛件的強度不能滿足使用要求。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中所存在的環形無磁鋼鍛件由內向外變形膨脹擠壓后直接采用熱處理工藝的制造方法容易導致環形無磁鋼鍛件局部殘余應力還較高的上述不足，提供一種無磁鋼厚壁環形鍛件的制造方法，該制造方法加工出來的無磁鋼厚壁環形鍛件在保證強度的基礎上，在很大程度上能降低鍛件內部的殘余應力。為了實現上述發明目的，本發明提供了以下技術方案
一種無磁鋼厚壁環形鍛件的制造方法，包括以下步驟
步驟一、第一次由內向外冷擴，將所述環形無磁鋼鍛件進行第一次由內向外冷擴，控制所述環形無磁鋼鍛件內孔冷擴變形量，并保留一定的變形余量； 步驟二、外側冷壓，將所述環形無磁鋼鍛件進行外側冷壓，控制所述環形無磁鋼鍛件外徑冷壓變形量達到工藝規定尺寸要求；
步驟三、第二次由內向外冷擴，將所述環形無磁鋼鍛件進行第二次由內向外冷擴，使環形無磁鋼鍛件內孔變形余量冷擴變形至工藝規定尺寸要求；
步驟四、熱處理，將冷變形強化過后的所述環形無磁鋼鍛件進行熱處理。優選地，所述環形無磁鋼鍛件進行步驟三中所述第二次由內向外冷擴后，若環形無磁鋼鍛件的外徑不符合要求時，可以再次對環形無磁鋼鍛件進行所述外側冷壓，或者通過切割的方式，使環形無磁鋼鍛件滿足工藝規定尺寸。優選地，所述環形無磁鋼鍛件進行所述步驟一第一次由內向外冷擴和所述步驟三第二次由內向外冷擴時，將環形無磁鋼鍛件豎直放置在下沖模和上沖模之間，所述環形無磁鋼鍛件內孔、上沖模、下沖模相互配合，且所述環形無磁鋼鍛件內孔、上沖模、下沖模圍成一個密封空腔，所述空腔內裝有超高壓液體，所述上沖模承載可調下壓量的壓機沖壓。環形無磁鋼鍛件進行的兩次從內向外冷擴時，在環形無磁鋼鍛件內孔、上沖模、下沖模相互配合形成密封的空腔內設有超高壓液體，在壓機強大壓力的作用下，上沖模、下沖模相向擠壓環形無磁鋼鍛件內孔，空腔體積將會變小，進而空腔內的超高壓液體體積也會相應變小而產生超高壓，該超高壓液體產生的超高壓會反向擠壓環形無磁鋼鍛件內孔，從而促使環形無磁鋼鍛件內孔直徑向外變大，由于整個環形無磁鋼鍛件體積是一定的，則其相應的高度會變小。通過控制壓機的壓下量，可以實現控制環形無磁鋼鍛件內孔直徑向外擴大的變形量，即可以實現環形無磁鋼鍛件第一次內孔冷擴變形并保留一定余量，第二次內孔冷擴至規定工藝尺寸。優選的，所述環形無磁鋼鍛件進行所述步驟二外側冷壓時，將所述環形無磁鋼鍛件以臥放方式放置在上壓模、下壓模之間，且其外側與所述上壓模、下壓模相互配合，所述環形無磁鋼鍛件內孔插有與之相互配合的芯棒，所述上壓模承載可調下壓量的壓機沖壓。在環形無磁鋼鍛件進行冷壓時，為了避免破壞已經冷擴到規定工藝尺寸的環形無磁鋼鍛件內孔，在環形無磁鋼鍛件內孔里適配有一根芯棒，待環形無磁鋼鍛件外徑冷壓至規定工藝尺寸時，再將內孔的芯棒拆除即可；另外為了環形無磁鋼鍛件外形冷壓的均勻，通過壓機的壓下量來控制環形無磁鋼鍛件被冷壓的變形量，并在每冷壓一段時間之后，轉動環形無磁鋼鍛件再進行冷壓，使其外形的變形量保持均勻。優選地，與環形無磁鋼鍛件內孔相互配合的所述上沖模、下沖模均為圓臺形，所述上沖模、下沖模的圓臺小端分別嵌入所述環形無磁鋼鍛件內孔。圓臺形狀的上沖模、下沖模不僅能夠方便壓機將其壓入環形無磁鋼鍛件內孔，提高環形無磁鋼鍛件空腔的密閉性，而且便于冷擴完畢、壓機壓力卸壓后上沖模、下沖模從環形無磁鋼鍛件上拆卸下來。優選地，所述超高壓液體介質為水。超高壓液體選擇普通的水，水對環形無磁鋼鍛件產生的最大壓力可以達到6000-7000個大氣壓，且水在冷擴過程中不會損傷或腐蝕環形無磁鋼鍛件，成本也比較低
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MTv ο優選地，與環形無磁鋼鍛件外側相互配合的所述上壓模表面、下壓模表面為內凹弧面。
優選地，所述上壓模、下壓模之間設有承載彈簧相互連接。上壓模表面、下壓模表面設計為內凹弧面，增大了上壓模、下壓模與環形無磁鋼鍛件外側的接觸面積，環形無磁鋼鍛件夾持的更為平穩，且上壓模、下壓模之間設置的承載彈簧可以使上壓模、下壓模在承受壓機下壓時能保持相互平行相向穩定的擠壓環形無磁鋼鍛件，利于環形無磁鋼鍛件冷壓時變形更為均勻。優選地，所述環形無磁鋼鍛件內孔若為異型孔，如階梯孔，則先將環形無磁鋼鍛件內孔加工成圓孔并留有一定余量，再進行所述從內向外冷擴以及所述外側冷壓，最后將所述環形無磁鋼鍛件圓孔加工成所需異型孔。對于環形無磁鋼鍛件內孔為異型孔，如果對環形無磁鋼鍛件直接進行由內向外冷擴和外側冷壓，則冷變形之后的環形無磁鋼鍛件由于壁厚不相同，上沖模、下沖模夾持冷擴時容易造成環形無磁鋼鍛件變形不均勻，不能滿足所需工藝尺寸，且內外側壁厚薄不同位置的力學性能相差也會很大；故先將環形無磁鋼鍛件內孔加工成圓形通孔并留有一定余量，再進行所述從內向外冷擴以及所述外側冷壓，最后將所述環形無磁鋼鍛件圓孔加工切除多于余量成所需異型孔，其切除圓孔余量并不會影響其所需強度、硬度等力學性能要求。與現有技術相比，本發明的有益效果
本發明所述一種無磁鋼厚壁環形鍛件的制造方法，在冷變形強化階段先實施環形無磁鋼鍛件第一次由內向外冷擴，保留足夠的冷擴變形量，之后進行外側冷壓，然后再實施第二次冷擴變形強化，使其達到規定工藝尺寸；其中第二次冷擴變形強化將會使冷壓變形強化后環形無磁鋼鍛件金屬晶粒所產生的滑移變形和位錯得到重新分布，環形無磁鋼鍛件內部的殘余應力局部峰值將會降下來，再進行一次消除應力熱處理工藝進行熱處理，這樣就可大大地降低了鍛件內部組織的微觀殘余應力，而環形無磁鋼鍛件的強度則不會因為多次熱處理受到太大的影響；且制造方法簡單、操作方便。
圖1為本發明所述一種環形無磁鋼厚壁環形鍛件的制造方法步驟示意圖。圖2為本發明所述環形無磁鋼鍛件內孔第一次和第二次由內向外冷擴結構示意圖，其中環形無磁鋼鍛件為剖視圖。圖3為本發明所述環形無磁鋼鍛件外側冷壓時結構示意圖。圖4為本發明所述環形無磁鋼鍛件在通過冷變形強化之后加工為所需異型孔后的剖視圖。圖中標記1、環形無磁鋼鍛件，201、上沖模，202、下沖模，3、超高壓液體，401、上壓模，402、下壓模，5、承載彈簧，6、芯棒，7、階梯孔。
具體實施例方式下面結合試驗例及具體實施方式
對本發明作進一步的詳細描述。但不應將此理解為本發明上述主題的范圍僅限于以下的實施例，凡基于本發明內容所實現的技術均屬于本發明的范圍。如圖1所示，一種無磁鋼厚壁環形鍛件的制造方法，包括以下步驟
步驟一 S01、第一次由內向外冷擴，將所述環形無磁鋼鍛件I進行第一次由內向外冷擴，控制所述環形無磁鋼鍛件I內孔冷擴變形量，并保留一定的變形余量；
步驟二 S02、外側冷壓，將所述環形無磁鋼鍛件I進行外側冷壓，控制所述環形無磁鋼鍛件I外徑冷壓變形量達到工藝規定尺寸要求；
步驟三S03、第二次由內向外冷擴，將所述環形無磁鋼鍛件I進行第二次由內向外冷擴，使環形無磁鋼鍛件I內孔變形余量冷擴變形至工藝規定尺寸要求；
步驟四S04、熱處理，將冷變形強化過后的所述環形無磁鋼鍛件I進行熱處理。其中，上述環形無磁鋼鍛件I進行步驟三S03中第二次由內向外冷擴后，若環形無磁鋼鍛件I的外徑不符合要求時，可以再次對環形無磁鋼鍛件I進行所述外側冷壓，或者通過切割的方式，使環形無磁鋼鍛件I滿足工藝規定尺寸。環形無磁鋼鍛件I在進行上述步驟一 SOl第一次由內向外冷擴和步驟三S03第二次由內向外冷擴時，將環形無磁鋼鍛件I豎直放置在下沖模202和上沖模201之間，環形無磁鋼鍛件I內孔、上沖模201、下沖模202相互配合形成密封的空腔內設有超高壓液體3，在壓機強大壓力的作用下，上沖模201、下沖模202相向擠壓環形無磁鋼鍛件I內孔，空腔體積將會變小，進而空腔內的超高壓液體3體積也會相應變小而產生超高壓，該超高壓液體3產生的超高壓會反向擠壓環形無磁鋼鍛件I內孔，從而促使環形無磁鋼鍛件I內孔直徑向外變大，由于整個環形無磁鋼鍛件I體積是一定的，則其相應的高度會變小。通過控制壓機的壓下量，可以實現控制環形無磁鋼鍛件I內孔直徑向外擴大的變形量，即可以實現環形無磁鋼鍛件I第一次內孔冷擴變形并保留一定余量，第二次內孔冷擴至規定工藝尺寸。環形無磁鋼鍛件I在進行所述步驟二 S02外側冷壓時，將環形無磁鋼鍛件I以臥放方式放置在上壓模401、下壓模402之間，且其外側與所述上壓模401、下壓模402相互配合，為了避免破壞已經冷擴到規定工藝尺寸的環形無磁鋼鍛件I內孔，在環形無磁鋼鍛件I內孔里適配有一根芯棒6，待環形無磁鋼鍛件I外徑冷壓至規定工藝尺寸時，再將內孔的芯棒6拆除即可；另外為了環形無磁鋼鍛件I外形冷壓的均勻，通過壓機的壓下量來控制環形無磁鋼鍛件I被冷壓的變形量，并在每冷壓一段時間之后，轉動環形無磁鋼鍛件I再進行冷壓，使其外形的變形量保持均勻。本發明中與環形無磁鋼鍛件內孔相互配合的上沖模201、下沖模202均為圓臺形，如圖2所示，不僅能夠方便壓機將其壓入環形無磁鋼鍛件I內孔，提高環形無磁鋼鍛件I空腔的密閉性，而且便于冷擴完畢、壓機壓力卸壓后上沖模201、下沖模202從環形無磁鋼鍛件I上拆卸下來。超高壓液體3選擇普通的水，因為水對環形無磁鋼鍛件I產生的最大壓力可以達到6000-7000個大氣壓，且水在冷擴過程中不會損傷或腐蝕環形無磁鋼鍛件1，成本也比較低廉。同時，如圖3所示，上壓模401表面、下壓模402表面設計為內凹弧面，增大了上壓模401、下壓模402與環形無磁鋼鍛件I外側的接觸面積，環形無磁鋼鍛件I夾持的更為平穩，且上壓模401、下壓模402之間設置的承載彈簧5可以使上壓模401、下壓模402在承受壓機下壓時能保持相互平行相向穩定的擠壓環形無磁鋼鍛件1，利于環形無磁鋼鍛件I冷壓時變形更為均勻。特別的，當所需要的環形無磁鋼鍛件I內孔若為異型孔，比如階梯孔7，如圖4所示，若對環形無磁鋼鍛件I直接進行由內向外冷擴和外側冷壓，則冷變形之后的環形無磁鋼鍛件I由于壁厚不相同，上沖模201、下沖模202夾持冷擴時容易造成環形無磁鋼鍛件I變形不均勻，不能滿足所需工藝尺寸，且內外側壁厚薄不同位置的力學性能相差也會很大；故先將環形無磁鋼鍛件I內孔加工成圓形通孔并留有一定余量，再進行所述從內向外冷擴以及所述外側冷壓，最后將所述環形無磁鋼鍛件I圓孔加工切除多于余量成所需異型孔，其切除圓孔余量并不會影響其所需強度、硬度等力學性能要求。在本實施例實驗的的環形無磁鋼鍛件，所需殘余應力的絕對值不得大于135MPa，采用現有技術將環形無磁鋼鍛件I冷擴至規定尺寸后再外側冷壓，其局部殘余應力峰值有300MPa，最后在300-450°C進行多次熱處理后該鍛件的局部殘余應力峰值還有150MPa，仍不能滿足所需殘余應力值，且多次熱處理之后該鍛件的強度有所降低，甚至不能滿足要求；而采用本發明所述的先對環形無磁鋼鍛件I第一次由內向外冷擴并保留足夠的冷擴變形量，之后進行外側冷壓，然后再實施第二次冷擴變形強化至規定尺寸，其局部殘余應力峰值小于150MPa，最后在350-390°C下進行一次熱處理，局部殘余應力峰值小于90MPa，完全能達到鍛件所需殘余應力要求，且一次熱處理對其強度影響不大，加上熱處理的溫度也有所降低，節約了成本。本發明通過相比現有技術冷擴、冷壓之后直接就熱處理而言，這種方法是在第二次冷擴變形強化將會使冷壓變形強化后的環形無磁鋼鍛件I金屬晶粒所產生的滑移變形和位錯得到重新分布，其環形無磁鋼鍛件I內部的殘余應力局部峰值將會降下來，對殘余應力局部峰值再進行消除應力熱處理工藝，能大大地降低了環形無磁鋼鍛件I內部組織的微觀殘余應力，而環形無磁鋼鍛件I的強度則不會因為熱處理受到太大的影響；且方法簡單、操作方便。
權利要求
1.一種無磁鋼厚壁環形鍛件的制造方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一、第一次由內向外冷擴，將所述環形無磁鋼鍛件(I)進行第一次由內向外冷擴，控制所述環形無磁鋼鍛件(I)內孔冷擴變形量，并保留一定的變形余量； 步驟二、外側冷壓，將所述環形無磁鋼鍛件(I)進行外側冷壓，控制所述環形無磁鋼鍛件(I)外徑冷壓變形量達到工藝規定尺寸要求； 步驟三、第二次由內向外冷擴，將所述環形無磁鋼鍛件(I)進行第二次由內向外冷擴，使環形無磁鋼鍛件(I)內孔變形余量冷擴變形至工藝規定尺寸要求； 步驟四、熱處理，將冷變形強化過后的所述環形無磁鋼鍛件(I)進行熱處理。
2.根據權利要求1所述的一種無磁鋼厚壁環形鍛件的制造方法，其特征在于，所述環形無磁鋼鍛件(I)進行步驟三中所述第二次由內向外冷擴后，若環形無磁鋼鍛件(I)的外徑不符合要求時，可以再次對環形無磁鋼鍛件(I)進行所述外側冷壓，或者通過切割的方式，使環形無磁鋼鍛件(I)滿足工藝規定尺寸。
3.根據權利要求1所述的一種無磁鋼厚壁環形鍛件的制造方法，其特征在于，所述環形無磁鋼鍛件(I)進行所述步驟一第一次由內向外冷擴和所述步驟三第二次由內向外冷擴時，將環形無磁鋼鍛件(I)豎直放置在下沖模(202)和上沖模(201)之間，所述環形無磁鋼鍛件(I)內孔、上沖模(201)、下沖模(202)相互配合，且所述厚壁環形無磁鋼鍛件(I)內孔、上沖模(201)、下沖模(202)圍成一個密封空腔，所述空腔內裝有超高壓液體(3)，所述上沖模(201)承載可調下壓量的壓機沖壓。
4.根據權利要求1所述的一種無磁鋼厚壁環形鍛件的制造方法，其特征在于，所述環形無磁鋼鍛件(I)進行所述步驟二外側冷壓時，將所述環形無磁鋼鍛件(I)以臥放方式放置在上壓模(401)、下壓模(402)之間，且其外側與所述上壓模(401)、下壓模(402)相互配合，所述環形無磁鋼鍛件(I)內孔插有與之相互配合的芯棒￠)，所述上壓模(401)承載可調下壓量的壓機沖壓。
5.根據權利要求3所述的一種無磁鋼厚壁環形鍛件的制造方法，其特征在于，與環形無磁鋼鍛件(I)內孔相互配合的所述上沖模(201)、下沖模(202)均為圓臺形，所述上沖模(201)、下沖模(202)的圓臺小端分別嵌入所述環形無磁鋼鍛件(I)內孔。
6.根據權利要求4所述的一種無磁鋼厚壁環形鍛件的制造方法，其特征在于，所述超高壓液體(3)介質為水。
7.根據權利要求4所述的一種無磁鋼厚壁環形鍛件的制造方法，其特征在于，與環形無磁鋼鍛件(I)外側相互配合的所述上壓模(401)表面、下壓模(402)表面為內凹弧面。
8.根據權利要求7所述的一種無磁鋼厚壁環形鍛件的制造方法，其特征在于，所述上壓模(401)、下壓模(402)之間設有承載彈簧(5)相互連接。
9.根據權利要求1-8任一所述的一種無磁鋼厚壁環形鍛件的制造方法，其特征在于，所述環形無磁鋼鍛件⑴內孔若為異型孔，如階梯孔(7)，則先將環形無磁鋼鍛件⑴內孔加工成圓孔并留有一定余量，再進行所述從內向外冷擴以及所述外側冷壓，最后將所述環形無磁鋼鍛件(I)圓孔加工成所需異型孔。
全文摘要
本發明公開了一種無磁鋼厚壁環形鍛件的制造方法，包括以下步驟步驟一、先對環形無磁鋼鍛件第一次由內向外冷擴并保留足夠的冷擴變形量；步驟二、進行外側冷壓；步驟三、第二次冷擴變形強化至規定尺寸；步驟四、進行熱處理。本發明所述的第二次冷擴變形將會使冷壓變形后的環形無磁鋼鍛件金屬晶粒所產生的滑移變形和位錯得到重新分布，其環形無磁鋼鍛件內部的殘余應力局部峰值會降下來，再對殘余應力局部峰值再進行消除應力熱處理工藝，能大大地降低了鍛件內部組織的微觀殘余應力，而環形無磁鋼鍛件的強度則不會因為多次熱處理受到太大的影響；且方法簡單、操作方便。
文檔編號B21D53/16GK103008496SQ201210582960
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月28日 優先權日2012年12月28日
發明者鮮勇, 丁宇, 朱立祥 申請人:德陽萬鑫電站產品開發有限公司