UOE焊管預彎邊模具用新材料開發與模具制造

李新文，周貴德，李建新，蘇其雙

（1.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900；2.山東省四方技術開發有限公司，山東 濟南 250101）

預彎邊是UOE焊管生產線的主要工序之一，其目的是完成鋼板兩邊的預彎曲變形，使鋼板兩邊的彎曲半徑達到或接近成品管半徑，從而保證直縫埋弧焊鋼管焊縫區域的幾何形狀和尺寸精度。

現在的預彎邊工序一般采用模壓式預彎邊工藝，采用該工藝可得到十分理想的板邊形狀，有效地防止焊縫“噘嘴”和擴徑開裂［1-2］。模壓式預彎邊機采用具有一定曲線和長度的上、下壓模。成型時，上壓模固定，下壓模由液壓缸驅動將鋼板邊部向上壓制，使鋼板邊部按照設定的曲率發生彎曲變形。根據模具長度的不同，經過多次壓制完成一張鋼板的彎邊操作。

1 寶鋼股份預彎邊機及其模具特點

寶山鋼鐵股份有限公司（簡稱寶鋼股份）Φ1 422 mm UOE機組的預彎邊機由兩個相對布置的機架組成，機架可以根據鋼板的不同寬度相對移動，機架中安裝有預彎邊上、下壓模，單側下壓模或上壓模由前后2塊模具拼接而成。寶鋼股份Φ1 422 mm UOE機組的預彎邊機有以下特點［3］：

（1）壓力大。該預彎邊機壓力達到40 MN，可保證產品的高鋼級和大壁厚生產要求，同時可實現大步幅操作。據有限元分析計算，板厚為31.8 mm的X100鋼級管線鋼的極限彎邊力達到38MN。

（2）每步的步幅大。該預彎邊機模具的總長為5 700 mm、有效長度約4 900 mm，對于18 m的鋼管只需4步即可完成全長彎邊操作。彎邊步數的減少意味著生產效率的提高，同時減少成型過渡帶的數量，有利于產品質量的提高。

（3）模具規格少。該預彎邊機只需配5套上下模具，即可覆蓋Φ508～1 422mm規格產品的預彎邊。Φ1 422mm UOE焊管預彎邊模具的結構和受力情況如圖1～2所示。

圖1 Φ1 422mm UOE焊管預彎邊模具的結構示意

圖2 Φ1 422mm UOE焊管預彎邊模具的受力情況

為匹配寶鋼股份的40 MN級預彎邊機，需從德國引進鍛造合金模具鋼上、下壓模，該模具鋼的化學成分見表1。經現場檢測，該模具的表面硬度為 50～60 HRC。

表1 德國鍛造合金模具鋼的主要化學成分（質量分數） %

上壓模與下壓模安裝在模座內，兩者配合嚴密，工作時的壓應力完全作用于模座。從模具的受力和服役狀況來看，Φ1 422 mm UOE機組預彎邊模具的失效形式為磨損。預彎邊模具在使用過程中主要承受壓應力下的滑動摩擦，其主要的力學性能指標是沖擊韌性和耐磨性能。

德國鍛造合金模具鋼的化學成分類似于中國的Cr12Mo1V1、美國的D2鋼、日本的SKD11鋼，是國際上廣泛應用的高碳高鉻型冷作模具鋼，屬萊氏體鋼，具有較高的淬透性和耐磨性，截面尺寸在300～400mm可淬透，但韌性較差（由于含有大量的共晶碳化物），廣泛用于生產要求耐磨性很高但沖擊載荷較小的冷作模具［4］，可制造各種高精度、長壽命的冷作模具、刃具和量具。

該模具鋼的冶煉純凈度要求高，采用電爐和真空精煉，大型模具的鍛坯一般釆用電渣重熔制得。該鋼可鍛溫度區間較窄（起鍛溫度為1 000℃，終鍛溫度為850℃），熱處理難度大、要求高。Φ1 422 mm UOE機組預彎邊機的上、下壓模均屬細長件，需經多次反復加熱、鍛造才可完成；同時，由于批量小很難形成模鍛。細長鍛件一般只拔長而很難鐓粗，造成工件各向異性顯著，力學性能可相差一倍多。采用與德國鍛造合金模具鋼相同化學成分的Cr12Mo1V1鋼，鍛造HFW焊管工藝用軋輥實物，沿鍛造方向（軸向）和垂直于鍛造方向（徑向）分別取樣檢測，檢測結果見表2［5］。而且相對于HFW焊管工藝用軋輥，Φ1 422 mm UOE機組預彎邊模具的體積大、形狀不規則，采用鍛造模具鋼制造工藝復雜、能耗高、材料利用率低、成本高。

文獻［6］分析了4種軋輥材料（國產Cr12MoV、9Cr2Mo、GCr15，德國X165CrMoV12）的組織及其耐磨性，分析認為高硬度（≥60 HRC）材料的沖擊性能都較低。

寶鋼股份Φ1 422mm UOE機組預彎邊模具的服役時間長、磨損嚴重、無備件，迫切需要采購新模具；但該模具均為德國制造，其制造周期長、費用高，采購流程繁瑣。因此，需進行預彎邊模具的國產化研制。

表2 HFW焊管工藝用Cr12Mo1V1鍛造軋輥在不同方向上的力學性能

2 預彎邊模具國產化研制

目前，國內對預彎邊工序的研究主要集中在不同預彎邊模具條件下的預彎邊寬度設定，而對模具選材及制造工藝的研究較少［7-10］。鑒于上述情況，寶鋼股份與山東省四方技術開發有限公司（簡稱山東四方）分析了Φ1 422 mm UOE預彎邊機上、下壓模的服役條件，汲取了高鉻合金軋輥成功替代D2、X165CrMoV12、SKD11 鍛造軋輥的經驗［11-12］，最終制定出新型多元合金化高鉻合金的“以鑄代鍛”鑄造工藝方案。此外，采用三坐標測量儀測量德國鍛造合金模具的幾何尺寸，并在核對與設備本體的裝配匹配性后，確定國產預彎邊模具的制造圖。

2.1 新型高鉻合金模具鋼的化學成分

高鉻合金是一種成分范圍很寬的優良耐磨材料，不同的化學成分和熱處理工藝使得其組織、硬度、韌性差異很大。

合理地提高合金含量和多元合金化處理是提高材料性能的有效手段，但合金含量的提高給鍛造模具（尤其是大型工模具）的生產帶來更大難度。目前，世界各國已開始轉向鑄造研發軋輥，而新型鑄造工藝和先進裝備的相繼成功開發，使得高合金、高性能鑄造軋輥的生產得以實現［13］。

C和Cr是高鉻合金最基本、最重要的合金元素；其含量的多少決定了碳化物的數量、M7C3型碳化物與總碳化物的相對數量，材料的硬度、韌性及淬透性等。鉻碳比大于5時可獲得大部分的M7C3型碳化物，而M7C3型碳化物有很高的顯微硬度。提高鉻碳比可以提高淬透性，一般認為鉻碳比為8～10時可獲得良好的綜合性能。

Mo在高鉻合金各相中的分配為：約50%進入Mo2C；約25%進入M7C3型碳化物；約23%溶入基體，明顯地提高合金的淬透性，Mo含量超過2%時作用更明顯。

V與C結合既能生成初生碳化物又可生成二次碳化物，使基體中固溶碳含量下降，提高馬氏體轉變起始溫度。一定含量的V在凝固時可細化組織，消除粗大的柱狀晶組織。

W與C的結合力大，可提高馬氏體的高溫穩定性，從而提高材料的紅硬性。高溫淬火時，部分鎢碳化物會溶入基體，提高材料的淬透性。

Ni可強化基體，改善材料的綜合性能，提高淬透性。

Ti能形成穩定的TiC晶核，細化共晶組織。

添加Nb可在基體中析出高硬度（2 000 HV）、高熔點、形狀規則、粒度小、均勻彌散分布的硬質相——Nb（CN）質點，可有效控制合金的凝固偏析，提高其綜合性能，并起到節約Ni或Cr的作用。

Si是熔煉過程中不可缺少的脫氧元素，但也是降低淬透性的元素。在生產時，需控制Si含量，以免在淬火時出現珠光體。

Mn既進入碳化物又溶解于基體，與Mo一起加入時對提高淬透性非常有效。但由于Mn劇烈地降低馬氏體轉變起始溫度，使淬火組織中有較多的殘余奧氏體，故其含量應控制在1%以下。

w（P）設定為≤0.03%，w（S）設定為≤0.025%。

依據預彎邊機上、下壓模的服役條件，綜合考慮各種合金元素的作用，設計出新型高鉻合金模具鋼的化學成分，主要合金含量約為Cr12Mo1V1鋼的1.3倍。而由此造成的原料成本上調將從簡化工藝和毛坯近終成型提高材料利用率中得到補償。

2.2 鑄造成型工藝的研發

根據預彎邊機上、下壓模的形狀和新型高鉻合金模具鋼的鑄造性能，設計鑄造成型工藝和裝備。

采用電爐冶煉和爐外精煉，以保證鋼水的純凈度；采用雙澆口多澆道澆鑄系統，以保證鋼水均勻快速充型；為更好地保證鋼水純凈度和含氧量，在近內澆口處采用了佛山市陶瓷研究所有限公司生產的高性能泡沫陶瓷過濾器。該過濾器采用耐高溫碳化硅材質，對鋼水的內雜質和氣體都有較好吸附作用，也可最大程度地降低過快的澆注速度帶來的鋼水紊流和沖擊，有效地減少偏析。通過電磁干擾和振動，使最初形成的枝晶破碎，并分布于整個合金液中，因而創造了有效的形核核心，使鑄件產生細小、均勻的等軸晶粒。此外，還使用了分部位控溫裝置，實現了順序凝固，加快了凝固速度，細化組織，同時可以有效地避免縮松等鑄造缺陷的產生，從而獲得高質量的模具鑄坯。

采用超聲波探傷技術檢測用上述工藝生產的模具鑄坯質量，結果表明：①鑄坯穿透性好，雜波少，可探性較好，組織均勻、致密；②模具鑄坯工作表面至深度100 mm區域達到BS EN 12680-2：2003標準［14］1級要求，內部區域不低于2級要求。

2.3 新型高鉻合金模具鋼的力學性能

新型高鉻合金模具鋼退火軟化到1 060℃保溫6 h，緩冷至750℃保溫4 h，緩冷至600℃以下空冷；1 050℃淬火并保溫4 h，350～380℃鹽冷1 h后空冷，隨后再經過2次200℃回火。

對相同材質、相同熱處理大截面試件進行解剖，結果顯示該新型高鉻合金模具鋼可完全淬透，淬后硬度為55～65 HRC，具有良好的淬透性和淬硬性。新型高鉻合金模具鋼與德國鍛造合金模具鋼的力學性能對比見表3。

表3 新型高鉻合金模具鋼與德國鍛造合金模具鋼的力學性能對比

2.4 新型高鉻合金模具鋼的金相組織

德國鍛造合金模具鋼的碳化物主要是M7C3型，含量在15%左右；其基體組織為馬氏體，金相組織如圖3所示。

圖3 德國鍛造合金模具鋼的金相組織

新型高鉻合金模具鋼的碳化物主要是M7C3型，呈不連續的條狀、塊狀、顆粒狀和菊花狀，其含量在20%左右，碳化物硬度可達1 800 HV。根據不同類型材料的服役條件，模具的基體組織有奧氏體、貝氏體、馬氏體等，宏觀硬度可達55～65 HRC。新型高鉻合金模具鋼的基體組織為馬氏體，金相組織如圖4所示。

圖4 新型高鉻合金模具鋼的金相組織

2.5 新型高鉻合金預彎邊模具的耐磨性能

采用MM-200環塊式摩擦磨損試驗機，分析新型高鉻合金預彎邊模具的耐磨性能。摩擦塊材料為德國鍛造合金模具鋼A、美國D2鋼B、日本SKD11鋼C、新型高鉻合金模具鋼D（鉻碳比為10）、新型高鉻合金模具鋼E（鉻碳比為8），每種材料3件；摩擦環材料為YG8鋼。在摩擦磨損試驗過程中通過自制系統加水冷卻，試驗主要參數見表4，摩擦磨損試驗結果如圖5所示。

試驗結果表明：新型高鉻合金預彎邊模具的耐磨性能約等同于德國鍛造合金模具的。

3 現場使用效果

新型高鉻合金預彎邊模具的無損檢測結果表明：該模具滿足超聲波探傷要求，達到磁粉探傷2級、滲透探傷2級，表面及近表面無裂紋性缺陷［14-16］。

表4 摩擦磨損試驗的主要參數

圖5 摩擦磨損試驗結果

寶鋼股份采用新型高鉻合金預彎邊模具后，發現該模具的制造精度、理化性能均與德國鍛造合金模具相當，彎邊后各項成型質量指標、表面質量、彎邊壓延均符合內部質量管控要求。

2014年1月—2015年3月，寶鋼股份采用新型高鉻合金預彎邊模具共壓制28 151根UOE焊管，壓制的部分典型規格見表5。隨后將該模具拉出檢測，發現該模具的表面磨損均勻，整體表面未出現影響UOE焊管產品質量、模具壽命的缺陷，無損探傷結果良好。

表5 新型高鉻合金預彎邊模具壓制的部分典型規格

4 結 語

山東四方聯合寶鋼股份開發的新型高鉻合金模具鋼可以滿足寶鋼股份UOE焊管預彎邊模具的服役條件要求，其表面硬度、抗拉強度、沖擊韌性達到了德國鍛造合金模具鋼的水平，耐磨性能約等同于德國鍛造合金模具鋼，可以替代進口。

通過此次預彎邊模具鋼的研制和應用，寶鋼股份和山東四方掌握了UOE焊管預彎邊模具的核心制造技術，后續將進一步改進預彎邊模具的材質及其工作面曲線設計，以拓展UOE焊管生產線的可制造規格范圍、提高模具的使用壽命、提高管型的可控制水平。

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