锆材球阀球体锻造工艺

邵宏智

1.概述

锆是一种很活泼的化学元素，常温下金属锆表面生成一层保护性氧化膜，因而在空气中很稳定，与空气中的氧、氮几乎不发生反应。这层钝化膜具有很高的抗腐蚀能力，在大多数有机酸、无机酸、强碱、熔融盐、高温水及液态金属中有良好的耐蚀性。因而，锆材在石油、化工、核电、航空航天等领域得到广泛的应用，锆材阀门也得到越来越多用户的青睐。

近期，我公司承接了某石油化工公司大量锆材阀门，其中球阀占有很大比例，球体锻造尤为关键。选择合理的锻造工艺，不仅能够节约材料成本，且为后期的加工制造也带来方便，大幅降低了人工费用成本。

2.工艺分析

(1) 锆材工艺性能锆及锆合金与合金钢和铝相比，焊接性更好，可以进行熔焊、钎焊、爆炸焊等。锆的焊接性与钦相近。锆的热膨胀系数低，焊接后工件变形小。锆的弹性模量低，焊接后工件的残余应力较小。

锆材锻造性能与钦材相似，锆材不能用气割下料，始锻温度在1000℃左右，终锻温度在800℃以上。锻造温度范围窄，完全退火温度为675~800℃，不完全退火温度为600℃。退火可在弱氧化性或中性气氛中进行， 薄件高温退火最好在真空中进行。锆材在865℃以下为密排六方晶格的α相，865℃以上为体心立方晶格的β相。锆材最终退火应该在相变温度以下进行。

锆材加工硬化倾向明显，机械加工应采用慢速、大进给量，并用大量切削液。刀具常用硬质合金，也可用高速钢，磨轮采用碳化硅砂轮。消耗功率约为加工碳钢的3/4。锆切削时易着火，故锆屑宜储存在有水的容器中。

(2) 球体锻造方案球面为规则的异形件，其成形方法只能借助于模具，所以，锆材球体采用模具锻造，方便成形及机械加工，节约成本。

本套模具采用分体式结构，结构简单，便于操作，由上下模及终锻芯子组成，上下模内腔设计成球面，在数控车床上加工成形;芯子外圆设计成锥面，便于出模。同时，为增加球面的硬度，模具各零件加工完成后，需进行表面淬火处理。另外，考虑到锻造操作用机械手操控，所以，表面要有相应的夹持平面。

(3) 模具设计模具尺寸要与球体的工艺尺寸相吻合，保证球体的成形尺寸，如图1图~3所示。

(4) 原料的质量控制原材料采用海绵锆，经二次真空熔炼成圆锭，避免原料中的缺陷造成锻造开裂。原料表面粗加工后，要进行超声波检测，待检测合格后选用，如图4~图5所示。

图1 球体  

3.锻造工艺
      (1)工艺参数。
      (2)工艺过程(防止锆材污染)一加热(装炉前，预热至400℃左右，然后缓慢加热至980℃，模具预热至400℃一保温2h-镦拔、倒角(出炉后进行一火锻造，镦粗然后拔长，提高其力学性能，见图6、图7)一冲孔(下冲头进行冲孔，见图8)一回炉加热(升温至950℃，保温1.5h)一二火锻造(上膜紧贴坯料，球孔穿芯轴，进行扩孔)一再次回炉(升温至950℃，保温1.5h)一三火锻造(套上模、扩孔，见图9)一平整两面(球体旋转90℃，平整两端面，见图10)一再次回炉(升温至950℃，保温1.5h)一上终锻芯子，套上下模，精锻球面(球面上下两面都在模具内腔，终锻成形，见图11、图12)。

图2 上下模 

图3 芯子
 

图4 超声波检测 

图5 缺陷位置 

图6镦粗、拔长  

图7 倒棱 

图8 冲孔 

图9 扩孔 

图10平整端面图

图11终锻芯子

图12成形球体 

执行工艺参数

4.结语

锆材球体的锻造工艺实践表球体分体式模锻工艺是可行可以进行推广。

作者简介:邵宏智，西安泵阀总厂有限公司工程师。