低碳經濟下的熱模鍛造

文／吳玉堅·東風鍛造有限公司

低碳經濟下的熱模鍛造

文／吳玉堅·東風鍛造有限公司

吳玉堅，副總經理，研究員級高工，全國鍛壓標準化技術委員會副主任，主要從事汽車零部件熱模鍛造技術的研究工作，獲湖北省科技進步獎、發明獎各1項，中國汽車工業科技進步獎3項，擁有發明專利和實用新型專利各1項。

近十年我國汽車產業迅猛發展，汽車的產銷量已躍居全球之首，帶動著整個汽車鍛件市場發展到了一個新高度，汽車模鍛件總產量達到了480萬噸以上。伴隨著經濟的快速發展，我國的資源消耗也已名列世界第一，能源單耗是美國的4.3倍、德國和法國的7.7倍、日本的11.5倍。在全球碳排放量排名中，我國已遠遠超過其他國家。

熱模鍛造的現狀

與冷、溫鍛造相比，熱模鍛造在尺寸精密程度、表面光潔度等方面沒有優勢，而且相對前兩者還增加了坯料的加熱能耗，但熱模鍛造良好的熱態成形塑性使其產品范圍寬廣，尺寸大、形狀復雜的產品只能采用熱模鍛造成形，汽車模鍛件中熱模鍛造產品的占比在90%以上。

在熱模鍛造生產中，零件因形狀以及成形難易程度不同，其材料利用率會有較大的差異，不過大部分產品的材料利用率都在65%～85%之間。近幾年，汽車模鍛件所消耗的原材料近千萬噸，原材料煉鐵、煉鋼和軋制的年綜合耗能總量在幾百萬噸標煤以上，產生了幾十億標準立方米的煙氣、灰塵以及二惡英、呋喃等有毒物質。因此，節材就是最大的節能、減排。

東風鍛造的低碳之道

東風鍛造有限公司(以下簡稱“東風鍛造”）始建于1969年，以熱模鍛造為主要生產工藝，擁有從18～125MN的全系列熱模鍛壓力機，具備年產15萬噸熱模鍛件的生產能力，原材料、動能消耗約占總成本的60%和10%。作為直接承擔節能減排任務最前沿的具體實踐者，東風鍛造始終把節材、節能、減排工作放在首位，并與提升企業競爭力緊密結合。東風鍛造在現有技術的基礎上，按照熱模鍛造綠色、可持續發展的路徑圖，展開低碳生產的具體實踐，積極履行企業的市場責任、環境責任、社會責任，為相關利益方持續創造價值。

選擇“綠色”材料

材料是鍛造的一個重要成本因素，也是決定鍛件性能與功能的重要因素。材料的選擇要從全價值鏈上成本最低、全過程中能耗最少、排放最低等方面考慮，如連鑄連軋鋼、非調質鋼等都是東風鍛造優先選擇的“綠色”材料。

連鑄連軋鋼比模鑄鋼成材率高百分之十幾，能耗也相應節省10%～15%，連鑄連軋鋼省去了中間再次加熱軋制材料的能耗，有明顯的成本優勢。東風鍛造90%以上的產品采用連鑄連軋鋼，其余在上量的產品也正逐步由模鑄鋼換為連鑄連軋鋼。

非調質鋼是采用微合金化冶煉方法，在中碳鋼或中碳錳鋼中加入一定的微量元素(如V、N、Nb、Ti等，它們起析出強化和細化晶粒的作用），通過控制其熱加工及軋后冷卻工藝使其強度、硬度和韌性提高來達到調質鋼的性能水平的。采用非調質鋼生產的零件在鍛造成形后于控冷狀態下達到調質處理的力學性能、疲勞壽命水平，不經過調質處理便可直接在工程中使用，以替代部分中碳、中碳低合金調質鋼零件。采用非調質鋼生產的鍛件省去了調質工序的再加熱淬火和高溫回火的全部能耗，每千克鍛件可節電0.7kW·h左右，同時由于工序減少，鍛件的生產制造周期也得以縮短，更重要的是非調質鋼還具有優越的加工性能，可提高產品的制造效率，目前在歐美發達國家非調質鋼已廣泛推廣應用。國內東風鍛造最早與鋼廠聯合開發并使用非調質鋼，目前其采用非調質鋼生產的鍛件占到全部鍛件的45%，常用的非調質鋼牌號有48MnV、30MnVS、38MnSiV5、49MnVS3、C38N2、C70MoD、S45CVS等。

減少料頭、料尾的消耗

東風鍛造在減少料頭、料尾的消耗方面所采取的主要措施如下：料頭方面，與裝備水平和技術實力高的鋼廠合作，獲得高品質的原材料，原材料端面平整、無毛刺，下料時不需切頭，減少了料頭損失；料尾方面，通過倍尺供貨來減少剩余料長，當同一規格的材料用于生產多個品種的產品時，采用套裁下料的方式來縮短料尾。長徑比大的坯料(如曲軸等產品的坯料），倍尺采購與非倍尺采購的原材料消耗差異超過10%，而如果再加上節省的這部分料頭、料尾的運輸成本以及料頭、料尾變成廢料的價差，倍尺采購每年能讓企業減少數百萬元的損失。

減小飛邊

熱模鍛造主要依靠飛邊橋部形成阻力迫使金屬充滿型腔，多余金屬流到倉部形成飛邊，過多的金屬不僅增加材料消耗和加熱能耗，而且還會縮短模具的使用壽命。東風鍛造一直致力于減小飛邊的工藝改善，主要通過改變預成形模以及增加制坯模等技術方案合理預分配金屬，促使金屬更易充滿終鍛模型腔。如長桿類鍛件主要應用引進的輥鍛模設計軟件提高輥鍛模的設計精度，實現飛邊尺寸的減小。同時開發并不斷完善半閉式模鍛成形技術，從最初應用于十字軸鍛件的成形到變速箱的一軸、二軸等桿類鍛件的成形，最終成功應用于曲軸等復雜鍛件的成形(圖1），減小了飛邊，材料利用率提升了3%～5%。

圖1 曲軸的半閉式模鍛成形

閉式鍛造

通過多項技術創新，東風鍛造創造性地開發出了在熱模鍛壓力機上的閉式鍛造工藝，實現了回轉體等盤類零件在熱模鍛壓力機上的閉式鍛造，并開始大批量生產PV齒輪鍛件，近幾年已成功推廣應用到CV齒輪鍛件(圖2），鍛件材料利用率提高了10%～15%，大幅降低了原材料的消耗以及相應的加熱能耗，該創新成果獲得了汽車行業科技進步獎。

圖2 CV齒輪鍛件的閉式鍛造

減小鍛件加工余量和工藝余塊

采用上述的減少料頭、料尾的消耗，減小飛邊以及閉式鍛造等多種方法可以使鍛件的材料利用率提高到90%以上，但從產品的角度看，產品的材料利用率卻仍只有55%～65%，大量的金屬變成了鐵屑，并增加了切削加工能耗和刀具消耗。如某品牌轎車變速箱軸、齒鍛件的平均材料利用率為84%，而產品的平均材料利用率僅為52%，因此，減小鍛件加工余量和工藝余塊對熱模鍛造來說有著更大的節材、節能空間。

通過先進的模具制造技術、坯料少無氧化加熱技術以及頂料機構的改進，東風鍛造全力推進熱精密鍛造技術在企業中的應用。將鍛件的加工余量從1.5mm減小到0.8mm，再到0.5mm，模鍛斜度也從7°減小到3°，再到1.5°。部分鍛件甚至取消了加工余量，將原來的加工面變成非加工面，如圖3所示，曲軸的平衡塊側面由加工面改為非加工面，加工余量和模鍛斜度的減小節省了大量的金屬，產品的材料利用率提高了約13%。

以前對于如圖4所示鍛件上的20～30mm的深孔均做盲孔處理，留給機加工鉆孔解決，而現在通過技術創新采用擠孔工藝替代沖孔工藝來實現此孔的成形，突破了熱模鍛造成形的孔徑參數極限，在節省材料的同時也減去了鉆孔工序的加工消耗。

圖3 曲軸平衡塊側面的改進

減小加工余量和工藝余塊不僅可以節省材料，而且可以提高機加工的效率、降低刀具的消耗，創造更多的價值。現在隨著加工余量和工藝余塊的減小，東風鍛造正不斷朝近凈成形、少無切削方向發展。

不過在這里有一個問題需要注意，鍛件隨著精密程度的提高對磕碰的敏感度也大幅提高，任何磕碰都更容易使精密鍛件無法達到加工余量的要求而報廢，從而使所取得的節材、節能成果全部湮沒。磕碰問題不能盡快解決，熱精密鍛造就將會停滯不前，現在全生產過程中的防磕碰工作已作為東風鍛造的一項重要工作進行全員全力攻關。

圖4 小孔鍛件

利用鍛后余熱

鍛造余熱淬火是指鋼坯在穩定的奧氏體區鍛造成形后，當其溫度高于Ar3時(對亞共析鋼而言），利用鍛件的余熱在介質中淬火并在合適的溫度下回火，以此代替調質處理，它是鍛造和熱處理相結合的一種綜合工藝。鍛造余熱淬火較大地提高了材料的淬透性，有較好的回火穩定性，增加了熱處理工藝的調整余地，是一種成熟的工藝，易于在大批量熱模鍛造生產過程中實現，省去了鍛件重新加熱淬火的工序，每千克鍛件可節電0.4kW·h左右。與普通淬火后的鍛件相比，鍛造余熱淬火后的鍛件晶粒粗大，易于切削加工。對于晶粒度有要求的鍛件，可先將其冷卻到600℃左右再加熱、均溫后淬火，以此獲得與正常調質處理后的鍛件一致的晶粒度，而這種方式可以節省從室溫到600℃的加熱能耗。

東風鍛造在廣泛應用鍛造余熱淬火的同時，還推廣應用鍛造余熱退火、鍛造余熱等溫正火等，利用鍛后余熱進行熱處理的比重已超過了10%。

穩定提高鍛件質量

《缺陷汽車產品召回管理規定》實施以來，汽車鍛件質量的可靠、穩定與提高的重要性愈加突顯。一旦產品涉及大批量召回，這對大多數制造商來說都會是滅頂之災。對于鍛件生產企業來說，除了要避免出現過熱、過燒、折紋、裂紋等關鍵缺陷外，對于原材料的質量把控也要非常重視，因為一旦原材料存在內在質量問題，將會導致整個爐號的鍛件報廢。

進口材料相對于國產材料來說，其質量的一致性好、可靠性高，因而會使后續工序(如最終熱處理）的工藝穩定性也相對要好一些，這就減少了工藝調試費用以及材料檢驗費用等，產品的綜合成本甚至比國產材料還要低一些。因而對于要求高的產品，為降低質量風險，最好還是選用進口材料，東風鍛造所使用的原材料中進口材料目前已占到10%。好的質量就是最大的節材、節能，穩定提高鍛件質量是熱模鍛造企業未來發展的重要根基。

應用數值模擬技術

數值模擬技術是目前國際上鍛造企業中應用的先進技術，在模鍛設計中已充當重要角色。作為先進制造技術的重要組成部分，它取代了傳統的基于經驗公式、數據的工藝和模具設計方法，提高了工藝和模具設計的技術水平。

數值模擬技術不僅可縮短新產品的開發周期，滿足市場快速反應的實際需求，而且可提高產品質量，有效地改善金屬材料的組織和力學性能，在節材、節能、延長模具使用壽命方面正發揮著越來越重要的作用。

東風鍛造自引入Qform 2D、Deform 3D有限元數值模擬軟件以來，應用模擬技術對鍛造過程中金屬的流動規律和變形模式進行了深入研究，在提高新產品開發時的一次試模成功率、縮短開發周期以及優化鍛造工藝、改善產品質量、節材、節能、提高模具壽命和生產效率等方面解決了大量的實際工程問題，實現了小飛邊鍛造、閉式鍛造，在減小加工余量的熱精密鍛造過程中數值模擬技術也正在發揮著重要的作用。如圖5所示，東風鍛造應用數值模擬技術實現了材料利用率提高10%、能耗降低10%、模具壽命提高20%以上的目標。

熱模鍛造的發展方向

我國模鍛件的產量位居世界第一，這些模鍛件大部分均采用熱鍛工藝生產，我國汽車模鍛件的產量約占所有模鍛件產量的67%，在汽車模鍛件中熱鍛件仍占絕對比重。當前，熱模鍛造要想持續保持主導地位，就必須直面挑戰，朝發揮自身優勢的正確技術方向和路徑發展。

圖5 數值模擬技術的應用案例

面臨的主要挑戰

產能過剩、人力資源匱乏、人工成本上漲、環境污染嚴重以及汽車輕量化發展，是熱模鍛造發展必須面對的挑戰和破解的命題。

熱模鍛造行業重復投資現象嚴重，特別是曲軸等大型模鍛件的產能已嚴重過剩，加之以鑄代鍛等用其他制造方法和材料替代鍛件等，使得熱模鍛造行業的競爭日趨激烈。人工成本逐年上漲，目前已超過動能成本占據總成本的第二位，而愿意從事鍛造行業工作的人卻日益缺少，有經驗、技術熟練的技能人員更是嚴重匱乏，后繼無人。從坯料到最終產品，有20%的材料變成了飛邊、30%的材料變成了鐵屑，再加上10%的料頭、料尾的浪費以及1%左右的不良率，如此耗費大量資源的行業在未來將難以為繼。經濟性、環保性和安全性等要求汽車必須向輕量化方向發展，而這也對熱模鍛造技術提出了更高、更迫切的要求。

解決方案

產能過剩是全面性、長期性的，要靠市場機制化解，無論是來自內部還是外部的競爭，優勝劣汰，這必將加快熱模鍛造向熱精密鍛造方向發展的步伐。

人力資源匱乏方面，可以通過與教育機構合作，設立相應的學習、實習項目，多渠道向年輕人介紹鍛造行業的職業機會，拓展人力資源，同時企業也要改善工作條件和環境，尋求更好的留住人才的方式，吸收有才、有志之士長期從事鍛造行業。

應對逐年上漲的人工成本，自動化是最佳的解決方案。自動化減少了對人工的依賴，避免了過程中的人為因素，產品質量穩定、可靠，生產效率高。相較而言，多工位的熱模鍛壓力機更易實現自動化，少品種、大批量生產多采用步進梁。隨著范圍經濟時代的到來，多品種、小批量生產要求柔性化和更快速的品種切換，機器人是更好的選擇，尤其是曲軸等大型鍛件的熱模鍛造，多采用機器人操作。除采用機器人代替人工外，企業還可以結合現場實際開展各種減輕工人勞動強度、減少操作人員的改善和改造項目，如自動上料、鍛模自動噴霧潤滑等。

環境污染、資源短缺的解決方案就是要最大限度地降耗減排，精密鍛造是節材、節能的有效途徑。精密鍛造由于很少甚至不需要切削加工，因此可大幅降低原材料的消耗。精密鍛造節省原材料的空間很大，如某汽車差速器齒輪鍛件的材料利用率為74%，而產品的材料利用率只有33%，大量的金屬被切削加工掉，而采用精密鍛造成形后產品的材料利用率提高到了67%，大幅降低了原材料的消耗。

精密鍛造的汽車零件能夠節省20%～30%的原材料，力學性能指標可提高15%～30%。目前，日本模鍛件中精密模鍛件的占比為36%，德國為37%，而我國精密模鍛件在模鍛件中僅占6%～8%，國內精密鍛件市場的潛力很大，蘊藏著巨大的發展機遇。

目前主要的精密鍛造工藝包括冷鍛、溫鍛、熱精鍛及熱鍛＋冷精整等，其中冷、溫鍛技術是最先進的少無切削精密鍛造成形技術。熱精鍛是在再結晶溫度以上進行的塑性變形，坯料通常加熱到1220～1250℃，其成形力很小，塑性變形后不存在加工硬化現象。采用熱精鍛技術，可突破冷、溫鍛件尺寸和重量的限制，將精密鍛造的產品范圍擴大到更多的鍛件。

熱鍛＋冷精整工藝具有顯著的優勢，在實際生產中該工藝也正得到越來越多的應用，如變速箱內的結合齒和定滑輪，復雜成形部分采用熱模鍛造成形，齒形部分熱精鍛成形后再進行冷精整。上述的結合齒由齒環與齒輪組成，定滑輪由齒輪與軸組成，現組合在一起鍛造成形。這樣的組合成形由于零件間不再需要連接、緊固，因而可省去結合面的機加工和裝配，部件的空間尺寸得到了縮小，整個部件的尺寸也可以設計得更小，從而可減輕部件的重量，更好地滿足汽車輕量化的需求。

多零件組合后尺寸較大、形狀也更為復雜，這會大幅度提高組合成形的技術難度，如變速箱內多個齒輪和軸的整體成形、轉向系統中轉向節和控制臂的一體化成形等，而這正是熱模鍛造發揮優勢的發展方向，組合成形顯著的節材及輕量化效果為熱模鍛造的發展開拓了一條重要的技術途徑。

結束語

當前經濟發展放緩、經濟結構正在轉型，這對于熱模鍛造企業來說是風險，但同時也是發展機遇，將節能降耗和減輕大氣污染與提升企業核心競爭力緊密結合起來是熱模鍛造企業健康、低碳、可持續發展之道。

熱模鍛造企業惟有持續改進與創新，應用先進技術加快技術進步，在未來的設計和生產中采用清潔工藝、清潔技術、清潔材料進行清潔生產，充分發揮金屬的熱態塑性成形優勢，高效、節能地獲得產品的形狀、性能，才能持續提供給汽車行業整體、優質、高性能金屬部件的低成本、低碳的解決方案。未來熱模鍛造終將在要求更為苛刻、形狀愈加復雜的汽車模鍛件成形中發揮越來越重要的作用。