E 型螺栓鑄鍛複合成型工藝的研究

縮孔和縮松有何不同

E 型螺栓是礦用採煤輸送機重要聯接零件 ， 屬枝芽、叉型複合類複雜模鍛件。其兩種形狀的鍛件毛坯如圖 1 所示。我廠經 10 多年開發 ， 研究出了在自由鍛上製坯後模鍛成形的 E型螺栓成形工藝 ， 實現了 83% 的鍛件材料利用率 ， 降低了鍛件的成本 ， 獲得了一定的經濟效益。近幾年又繼續開發和研究了鑄鍛成形 E 型螺栓的新工藝 ， 進一步提高了材料的利用率 ， 降低了鍛件的成本並取得了良好的經濟效益。

2 E 型螺栓鑄鍛複合塑性成形工藝

2。 1 複合塑性成形工藝

複合塑性成形工藝是將不同種類的塑性加工方法結合起來 ， 或將其它金屬加工方法 （ 如鑄造、焊接、粉未冶金、材料和熱處理等 ） 和塑性加工方法結合起來使用 ， 從而獲得所需形狀、尺寸和效能的產品的加工方法。其特點是在成形過程中將原來不同範疇的加工方法有機地結合使用 ， 確保零件的形狀、尺寸和質量 ， 並達到使用效能、工藝效能和經濟性相統一的目的 ， 從而滿足機械製造的需要。

2。 2 鑄鋼 E 型螺栓

鑄鋼 E 型螺栓適應性廣、成本低 ， 但在鑄造時熔點高、結晶溫度範圍較寬 ， 呈體積凝固或中間凝固方式 ， 同時受澆注溫度、澆注時金屬壓強、鑄型狀況及鑄件結構的影響 ， 流動性較差 ，收縮較大 ， 鑄鋼件內部極易產生氣孔、縮孔、縮松和偏析等鑄造組織缺陷。因而其力學效能差 ，使用壽命低 ， 不能滿足使用效能的要求。

2。 3 模鍛 E 型螺栓

模鍛 E 型螺栓有 2 種成形方法 ， 一種是採用軋材或型材坯料在整體模上自身製坯 ， 然後終鍛成形。雖然鍛件質量好 ， 但製坯困難 ， 鍛件材料利用率低 ， 鍛造打擊力較大 ， 模組尺寸較大 ， 模具壽命低 ， 經濟性較差 ； 另一種是採用軋材或型材在自由鍛錘上預成形 （ 相當於製坯和預鍛），然後在整體模或鑲塊模上終鍛成形。這種方法具有較高鍛件材料利用率 ， 模鍛成形能力強 ， 鍛件質量好 ， 模具壽命高 ， 但預成形較困難。

2。 4 鑄鍛 E 型螺栓

為克服 E 型螺栓鑄鋼件不能滿足使用效能要求和 E 型螺栓模鍛件成本高的不利因素 ，同時又發揮鑄造和鍛造的雙重優勢 ， 採用普通鑄造方法 （ 砂型鑄造或金屬型鑄等 ） 先鑄出鑄坯作為模鍛預成形的壞料 ， 然後將其進行模鍛 ， 可獲得所需的形狀、尺寸和質量的 E 型螺栓鑄鍛件。

2。 4。 1 鑄鍛 E 型螺栓的製造工藝

E 型螺栓的鑄鍛工藝過程為 ： 熔鍊→鑄造→鑄坯→加熱→模鍛→切邊→熱處理。該工藝的關鍵是模鍛 ， 模鍛的關鍵是鑄坯必須有足夠的鍛造比 ， 鍛造比過小 ， 則達不到 E 型螺栓的效能要求 ； 鍛造比過大 ， 則會引起 E 型螺栓材料的各向異性 ， 也會降低材料的利用率。

熔煉爐料為廢鍛件、廢零件、廢飛邊或廢鋼。 在感應爐中熔化 ， 砂型鑄造 ， 澆注溫度1480 ℃ ， 鑄造坯料的材料為 40Cr 鑄鋼 ， 兩種 E型螺栓的鑄造毛坯如圖 2 所示。

鑄造毛坯在液化氣爐或煤氣爐中加熱 ， 在整形體模或鑲塊模上模鍛成形 ， 始鍛溫度1200 ℃ ， 終鍛溫度 850 ℃ ， 在模鍛操作時只需 3～ 4 錘便可終鍛成形。鍛件經過調質熱處理 ， 硬度為 28 ～ 32HRC 。

2。 4。 2 E 型螺栓的坯料形狀與尺寸確定原則

根據 E 型螺栓受力情況可知， E型螺栓杆部的使用壽命決定了 E 型螺栓的使用壽命。在確定鑄坯形狀與尺寸時 ， 要保證模鍛時以鐓粗成形為主 ， 既要保證變形量小 ， 成形容易 ， 又要確保有足夠的鍛造比 ， 尤其是螺紋杆部。

當鑄鋼坯料形狀與尺寸確定合理後 ， 應使鑄鍛 E 型螺栓粗大的鑄態組織變為均勻細小的晶粒組織 ； 破碎並改善碳化物及非金屬夾雜物在金屬基體內的分佈 ， 從而改善金屬組織 ， 提高螺栓的使用效能 ； 形成一定的纖維組織 ， 使金屬組織具有一定的方向性 ； 鍛合內部孔隙 ， 使金屬塑性及緻密性得到改善 ， 減少應力集中 ， 從而使 E 型螺栓的力學效能得到大幅度地提高 ， 以確保鑄鍛 E 型螺栓的形狀、尺寸和質量。

2。 4。 3 鑄鍛 E 型螺栓的質量

我們曾對鑄鍛 E 型螺栓和傳統的模鍛 E型螺栓的力學效能進行了測試統計。其中測試條件為 ： 用三螺紋杆部的試樣作力學效能拉伸試驗和衝擊試驗。用` 10mm × 50mm 原始試樣作拉伸試驗 ， 用 10mm × 10mm × 50mm 、帶有2mm 深 V 型缺口作衝擊試驗。鑄鍛 E型螺栓與傳統模鍛 E 型螺栓熱處理後的力學效能、硬度及纖維度的測試結果如表 1 所示。

表 1 所示的測試資料表明 ， 鑄鍛 E 型螺栓與傳統模鍛 E 型螺栓不僅具有相同的形狀與尺寸 ， 而且具有相近的力學效能、硬度和纖維度 ， 因此具有相同或相近的質量。

2。 4。 4 E 型螺栓的技術經濟性分析

鑄鍛 E 型螺栓的複合成形工藝 ， 有效地解決了 E 型螺栓製坯難和模鍛難的問題。可降低材料費 35% ， 由於是小飛邊模鍛 ， 材料利用率可達 90% 。因鑄坯形狀與尺寸合理 ， 有利於在終鍛時的金屬流動 ， 減少在鍛模膛內磨損 ， 模鍛打擊次數少 ， 能耗低 ， 生產率高 ， 鍛模壽命高。鑄鍛 E 型螺栓與傳統模鍛 E 型螺栓具有相同或相近的質量。因此 E 型螺栓鑄鍛複合塑性成形工藝具有明顯的可行性、實用性和效益性。其技術經濟分析統計結果如表 2 所示。

3 結論

（1） E 型螺栓鑄鍛複合塑性成形工藝克服了鑄鍛螺栓固有缺點而充分發揮了鑄鍛特有優勢的工藝 ， 具有較高的價值 ， 能實現零件的使用效能、工藝效能和經濟性的有機統一 ， 具有明顯的可行性、實用性和經濟效益。

（2） 鑄鍛 E 型螺栓可利用廢鍛件、廢零件和廢飛邊等廢鋼經過配料熔鍊鑄造成鑄鋼坯料 ， 有效地提高了材料的利用率和降低了鍛件成本 ， 解決了 E 型螺栓製坯難和成形難的問題。

（3） E 型螺栓模鍛成形的鍛模具有結構簡單 ， 製造成本低和使用壽命高的特點。

（4） 鑄鍛 E 型螺栓與傳統模鍛 E 型螺栓的形狀、尺寸和質量相同或相近。