CN101279347A

CN101279347A - 不锈钢锥形环锻件的辗轧成形方法

Info

Publication number: CN101279347A
Application number: CNA2008100687244A
Authority: CN
Inventors: 刘朝辉; 吴永安; 田永军
Original assignee: Guizhou Hangyu Science & Technology Development Co Ltd
Current assignee: Guizhou Hangyu Science & Technology Development Co Ltd
Priority date: 2008-04-23
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2008-10-08

Abstract

本发明公开了一种不锈钢锥形环锻件的辗轧成形方法，为获得组织和性能优良的该合金锥形环锻件和实现精确轧制，该方法包括以下步骤：合金棒料经加热镦粗变形75％～80％制成实心圆饼再冲孔使其孔径尺寸是其外径尺寸的15％～20％后制成空心圆饼；所述空心圆饼经加热轧环变形30％～35％后制成矩形环坯并把该环坯加工成带斜度的预轧坯；所述预轧坯经加热装进轧环机辗轧模具并在该模具的锥形孔型内辗轧变形60％～70％后成形为锥形环锻件。辗轧时，上述预轧坯沿径向的展宽速度是2mm/s～15mm/s，受到的径向轧制力是40000kg～220000kg。该方法主要用于地面燃气轮机锥形环锻件的成形，采用该方法可以获得沿零件外形呈流线分布的环面为复杂曲面的锥形环锻件。

Description

不锈钢锥形环锻件的辗轧成形方法

技术领域

本发明涉及一种环形锻件的轧制成形方法，特别是涉及了不锈钢锥形环锻件的辗轧成形方法。

背景技术

采用不锈钢(如0Cr11Ni2MoVNb等材料牌号)制造的地面燃气轮机的锥形环锻件，如涡轮外环、机匣等零部件由于长期在高温下工作，要求锻件具有较好的性能及组织稳定性。

“大型锥形环件成型制造新工艺及其数值模拟”(王泽武等，《核动力工程》，第28卷第2期，第69～72页，2007年4月)一文公开了一种锥形环件的成形工艺，该工艺包括制坯、加热、轧制及后续加工。采用该工艺轧制普通碳素钢的锥形环件时是把轧环机的主辊、芯辊和抱辊加工成锥形后再把锥形环坯轧制成锥形环件的。采用该工艺轧制锥形环件，由于是靠主辊、芯辊和抱辊的锥面形状来确定锥形环件的锥面形状，靠锥辊来轧制其高度，因此，只能轧制内外环面为平整面的简单锥形环件(如该文图示的那样)，而且对于锥度或高度不一样的锥形环件，需要更换辊型，正如该文所指出的“锥形环件不同于矩形截面环件，在轴向上环件有一定斜度，需要重新设计主辊、芯辊和抱辊”。由此可知，采用该工艺不可能轧制出内外环面为复杂曲面的锥形环件，而且轧制不同形状的简单锥形环件时频繁更换辊型将会增加制造成本、延长生产周期和不利于设备的维护保养。

上述锥形环件成型制造新工艺并未公开轧制不锈钢锥形环锻件的具体工艺步骤，若采用该工艺轧制不锈钢锥形环锻件，存在的问题如下：

不能轧制环面为复杂曲面并沿零件外形呈流线分布的锥形环锻件，因此，当需要轧制环面为复杂曲面的锥形环锻件时，只能靠增大加工余量的方法先轧制成该文所公布的环面为平整面的锥形环锻件，再通过机加工成环面为复杂曲面的锥形环锻件。这样加工而成的锥形环锻件，环锻件毛坯的加工余量大，锻件尺寸精度较差，锻件的外形流线不能沿零件外形分布；由于加工量较大，既费时费力和浪费大量的贵重不锈钢材料，又切断了锻件的外形流线从而对锻件的组织和性能产生不利影响。

轧制不锈钢锥形环锻件时，从合金棒料到最终轧制成锥形环锻件，不锈钢的变形量对环锻件的组织和性能影响很大，其变形量选择不准，将会造成环锻件晶粒粗大、轧伤、轧裂、折叠、夹层等缺陷，从而影响锻件的交付和使用。特别是对于轧制重型燃气轮机的机匣等大型(重量在1000kg以上)或特大型(重量在10000kg以上)的不锈钢锥形环锻件，如何克服材料的热变形抗力大，保证材料的内部被锻透、减少材料加工及消耗，获得组织性能优良和沿零件外形呈流线分布的锥形环锻件，是当今制造业上的难题。

有鉴于此，本发明提供了一种不锈钢锥形环锻件的辗轧成形方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种准确的变形量来实现不锈钢锥形环锻件精确辗轧成形的方法，采用该方法辗轧的锥形环锻件沿零件外形呈流线分布，并具有优良的组织和性能。

为解决上述技术问题，本发明所述不锈钢锥形环锻件的辗轧成形方法，其技术方案包括以下步骤：

把按规格下料的不锈钢棒料加热到变形温度，经镦粗使其变形75％～80％得到实心圆饼；把所述实心圆饼冲孔使其孔径尺寸是其外径尺寸的15％～20％后得到空心圆饼；

加热所述空心圆饼到变形温度后使其被轧环变形30％～35％后得到矩形环坯；把所述矩形环坯的上、下端面加工平整，内、外环面加工出斜度得到预轧坯；

加热所述预轧坯到变形温度，把所述预轧坯装进轧环机辗轧模具，所述预轧坯的纵向截面在辗轧模具的锥形孔型内被轧环机辗轧并按所述孔型产生连续局部塑性变形，所述预轧坯壁厚减小并沿径向展宽被辗轧变形60％～70％后成为锥形环锻件。

在上述步骤中，所述预轧坯的纵向截面在所述锥形孔型内按多火次辗轧变形，最好是二至三个火次，每火次变形量是30％～40％，变形温度是1000℃～1050℃，

当构成上述锥形孔型的辗轧模具的锥形面是曲面时，辗轧成形的锥形环锻件的环面为曲面；当构成上述锥形孔型的辗轧模具的锥形面是平整面时，辗轧成形的锥形环锻件的环面为平整面。

辗轧时，上述预轧坯沿径向的展宽速度是2mm/s～15mm/s，受到的径向轧制力是40000kg～220000kg。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明把按规格下料的不锈钢棒料从镦粗、冲孔、制矩形环坯、制预轧坯到辗轧成锥形环锻件的整个工艺过程，通过选用准确的变形量和使用辗轧模具来使锥形环锻件成形，获得了组织均匀和性能优良的锥形环锻件。以牌号为0Cr11Ni2MoVNb的不锈钢为例，经检测该合金锥形环锻件不同部位的金相低倍组织，未发现有粗晶、裂纹、伤痕、折叠、夹层等缺陷；经检测该合金锥形环锻件的室温拉伸性能，其抗拉强度为920MPa～925MPa(大于使用要求的885MPa)，其伸长率为0.2％时的屈服强度为815MPa～830MPa(大于使用要求的735MPa)，断后伸长率为18％(大于使用要求的12％)，断面收缩率为69％～71％(大于使用要求的55％)；经检测该合金锥形环锻件的冲击性能，其冲击功为63J～64J(大于使用要求的55J)；经检测该合金锥形环锻.件的布氏硬度为285～292，满足了使用要求。从该合金锥形环锻件的理化检测结果可知，采用上述方法辗轧成形的该合金锥形环锻件取得了预料不到的技术效果，大大满足了其使用要求。

本发明采用大变形镦粗制作矩形环坯，能够使原材料的内部被锻透，进而改善坯料的内部质量；预轧坯采取多火次的变形方式并通过选择合理的每火次变形量和变形温度使其在辗轧过程中产生动态再结晶，从而可以实现大型或特大型不锈钢锥形环锻件的辗轧成形。

本发明还通过在轧环机上安装辗轧模具来实现不锈钢锥形环锻件的辗轧成形，即在轧环机的芯辊上安装芯辊模，在其主辊上安装主辊模，芯辊模与主辊模合模后能够形成用于辗轧锥形环锻件的锥形孔型，从而把锥形环锻件的成形方式由主辊、芯辊和锥辊辗轧成形改进为主要由模具辗轧成形，并且通过改变构成所述锥形孔型的辗轧模具的锥形面的形状，便可辗轧成形不同环面形状的锥形环锻件，从而使该模具能辗轧出环面为曲面或平整面的锥形环锻件。

并且，采用本方法辗轧不锈钢锥形环锻件，可以获得沿零件外形分布的环面为复杂曲面流线的锥形环锻件，提高了锥形环锻件的尺寸精度，从而可以实现精确轧制，减少锥形环锻件的机械加工余量和贵重不锈钢材料的浪费；当辗轧不同环面形状的环锻件时，只需更换辗轧模具上形成所述锥形孔型的模块即可，而不必更换轧环机的主辊、芯辊和抱辊等部件，从而可以降低锥形环锻件的制造成本、缩短生产周期并有利于设备的维护保养。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是矩形环坏的制坯工艺流程图。

图2是预轧坯沿其中心线的纵剖面图。

图3是预轧坯装进辗轧模具的结构图。

图4是预轧坯辗轧成锥形环锻件的工艺过程图。

图5是图4所示的辗轧工艺过程的俯视方向示意图。

图6是辗轧成形的锥形环锻件沿其中心线的纵剖面图。

图7(a)是图6所示a部位的金相低倍组织图。

图7(b)是图6所示b部位的金相低倍组织图。

图8(a)是第二种结构的辗轧模具孔型图。

图8(b)是采用图8(a)所示的辗轧模具孔型轧成的锥形环锻件沿其中心线的纵剖面图。

图9(a)是是第三种结构的辗轧模具孔型图。

图9(b)是采用图9(a)所示的辗轧模具孔型轧成的锥形环锻件沿其中心线的纵剖面图。

图10(a)是第四种结构的辗轧模具孔型图。

图10(b)是采用图10(a)所示的辗轧模具孔型轧成的锥形环锻件沿其中心线的纵剖面图。

具体实施方式

实施本发明所述的不锈钢锥形环锻件的辗轧成形方法需要提供锻造加热炉、压力机、轧环机、吊装机等设备。下面以牌号为0Cr11Ni2MoVNb的不锈钢为例来详细说明该方法的具体实施方式：

该不锈钢的主要化学元素含量(重量百分比)为：含C量0.05％～0.09％、含Cr量10.05％～12.00％、含Mo量0.35％～0.50％、含Nb量0.05％～0.15％、含V量0.15％～0.25％、含Ni量1.40％～1.80％、含Si量≤0.60％、含Mn量≤0.60％、含Cu量≤0.30％、含S量≤0.02％、含P量≤0.03％、此外还含有其他微量元素、余量为Fe。

该合金从棒料到生产出合格的锥形环锻件的工艺步骤如下：

步骤1：矩形环坏的制坯。如图1所示，把按规格下料的牌号为0Cr11Ni2MoVNb的不锈钢棒料1在锻造加热炉内加热到1000℃～1180℃，在锻压机上镦粗使其变形75％～80％得到到实心圆饼2，接着把实心圆饼2用冲头4冲出中心孔得到空心圆饼3，所述空心圆饼3的内径尺寸是其外径尺寸的15％～20％；把空心圆饼3再加热到上述温度后装进轧环机辗轧使其变形30％～35％后得到矩形环坯5。

在上述步骤1中，采用上述变形方式制作的矩形环坯5能够获得均匀的组织，避免产生晶粒粗大、裂纹等缺陷，特别是大变形镦粗能够使原材料的内部被锻透，进而改善坯料的内部质量。

步骤2：预轧坯的制坯。如图2所示，采用机加工把矩形环坯5的上、下端面去掉毛边和加工平整，并把其内环面加工成具有高度h₁的直面和斜度为β的斜面，把其外环面加工成具有高度h₂的直面和斜度为β的斜面，制成带斜度的预轧坯10，所述高度h₁和h₂根据锥形环锻件的尺寸和形状确定，所述斜度β的值为8°～12°。

在上述步骤2中，把预轧坯10加工成带有8°～12°的斜度，既不会浪费太多的合金材料，又满足了辗轧锥形环锻件的斜度要求。

步骤3：锥形环锻件的辗轧成形：

先把预轧坯10在锻造加热炉内加热到1000℃～1180℃后装进由主辊模和芯辊模组成的辗轧模具，如图3所示，把该预轧坯10吊装在芯辊模的内型模块16上并平放在轧环机的底盘上(图中未示出)，所述芯辊模由内型模块16、芯套21、压环22通过螺母23和芯辊键24固定在芯辊12上；启动轧环机使其主辊13按图3所示方向旋转，然后使芯辊12向主辊13方向平移靠近主辊13后芯辊模与主辊模合模，所述主辊模由下端盖19、外型模块17、上端盖18通过主辊套20和主辊键25固定在主辊13上，所述内型模块16和外型模块17的外周面与所述上、下端盖18和19围成锥形孔型11，预轧坯10的纵向截面处于该锥形孔型11内；同时由轧环机驱动上、下锥辊14和15按图3所示方向转动并准备夹持住预轧坯10的上、下端面，使轧环机的两个抱辊26(如图5所示)扶持住预轧坯10外周面的底部大圆周面；

主辊13驱动预轧坯10、芯辊12和两个抱辊26按图4和图5所示的方向转动，这时转动的上、下锥辊14和15夹持住转动的预轧坯10的上、下端面与其一起转动；芯辊12沿径向朝主辊13方向作进给运动使芯辊12和主辊13以40000kg～220000kg的轧制力在其锥形孔型11内辗轧预轧坯10，预轧坯10以2mm/s～15mm/s的速度沿径向展宽，其壁厚逐渐减小，上、下锥辊14和15以及两个抱辊26随着预轧坯10的径向展宽而外移；

预轧坯10在锥形孔型11内被辗轧产生连续局部塑性变形，预轧坯10经过二至三个火次的辗轧变形并把每火次变形量控制在30％～40％，变形温度控制在1000℃～1050℃，最后预轧坯10在锥形孔型11内变形60％～70％后成为锥形环锻件27，所有转动部件停止后移开主辊13、锥辊14和15、两个抱辊26以及压在芯辊12顶部的轧环机悬臂，从芯辊顶部取出锥形环锻件27。

在上述步骤3中，把预轧坯10的多火次变形的每火次变形量控制在30％～40％，变形温度控制在1000℃～1050℃，可以充分利用该合金较宽的变形温度范围使其在辗轧过程中产生动态再结晶，从而获得良好的组织和性能。

在上述步骤1和步骤3中，该不锈钢的终轧温度不小于850℃。

如图6所示，锥形环锻件27的外环面是由其上部c的外环直面、中部d的外环斜面以及下部e的外环直面按照c、d、e的顺序通过圆弧自然过渡连接在一起的曲面，其内环面是由其上部c的内环直面、中部d的内环斜面以及下部e的内环直面按照c、d、e的顺序通过圆弧自然过渡连接在一起的曲面。

按照GB 226《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验方法》检测，该合金锥形环锻件的金相低倍组织如7(a)、图7(b)所示，图7(a)和图7(b)的试样分别取自图6中的a和b部位，在上述低倍组织图上均未发现有粗晶、裂纹、伤痕、折叠、夹层等缺陷。

按照GB/T 228《金属材料室温拉伸试验方法》检测，该合金锥形环锻件的室温抗拉强度为920MPa～925MPa，其伸长率为0.2％时的屈服强度为815MPa～830MPa，断后伸长率为18％，断面收缩率为69％～71％。

按照GB/T 229《金属夏比缺口冲击试验方法》检测，该锥形环锻件的冲击功为63J～64J。

按照GB/231《金属布氏硬度试验方法》检测，该锥形环锻件的布氏硬度为285～292。

上述理化检测结果表明，采用上述方法辗轧成形的该合金锥形环锻件具有优良的内部组织和性能，完全满足了该合金锻件的使用要求。

图8(a)示出了轧制图8(b)所示的锥形环锻件27^a的辗轧模具的锥形孔型11^a的结构，在图8(a)中，只需把图3或图4中的内型模块16和外型模块17分别换成内型模块16^a和外型模块17^a即可，辗轧成形的锥形环锻件27^a的内外环面均为平整面。

图9(a)示出了轧制图9(b)所示的锥形环锻件27^b的辗轧模具的锥形孔型11^b的结构，在图9(a)中，只需把图3或图4中的内型模块16和外型模块17分别换成内型模块16^b和外型模块17^b即可。锥形环锻件27^b的外环面是由其上部c′的凸起环的外环面、中部d′的外环斜面以及下部e′的凸起环的外环面通过圆弧自然过渡连接在一起的复杂曲面，其内环面是由上部c′的内环直面和中部d′、下部e′的内环斜面通过圆弧自然过渡连接的曲面。

图10(a)示出了轧制图10(b)所示的锥形环锻件27^c的辗轧模具的锥形孔型11^c的结构，在图10(a)中，只需把图3或图4中的内型模块16和外型模块17分别换成内型模块16^c和外型模块17^c即可。辗轧成形的锥形环锻件27^c，其内环面是由该锻件g、i、k部位的内环直面和h、j部位的内环斜面以g、h、i、j、k部位的顺序通过圆弧自然过渡连接的曲面，其外环面是山该锻件g、i、k部位的外环直面和h、j部位的外环斜面以g、h、i、j、k部位的顺序通过圆弧自然过渡连接的曲面。

从图8(a)、图9(a)和图10(a)可以看出，采用上述辗轧成形方法和辗轧模具辗轧不同截面的不锈钢锥形环锻件是很方便的。当辗轧成形的锥形环锻件的尺寸不大时，上述步骤2可以通过胀形得到锥形预轧坯再辗轧成锥形环锻件；当辗轧成形的锥形环锻件的尺寸和锥度不大时，上述步骤2中的预轧坯可以是矩形预轧坯，即从矩形预轧坯直接辗轧成锥形环锻件。本发明所述的辗轧成形是把环锻件的预轧坯通过辗轧模具轧制成环锻件的成形方式。

Claims

1、一种不锈钢锥形环锻件的辗轧成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

2、按照权利要求1所述的辗轧成形方法，其特征在于：所述预轧坯的纵向截面在所述锥形孔型内按多火次辗轧变形，每火次变形量是30％～40％，变形温度是1000℃～1050℃。

3、按照权利要求2所述的辗轧成形方法，其特征在于：所述预轧坯的纵向截面在所述锥形孔型内按二至三个火次辗轧变形。

4、按照权利要求1或2所述的辗轧成形方法，其特征在于：构成所述锥形孔型的辗轧模具的锥形面是曲面。

5、按照权利要求1或2所述的辗轧成形方法，其特征在于：构成所述锥形孔型的辗轧模具的锥形面是平整面。

6、按照权利要求1或2所述的辗轧成形方法，其特征在于：所述预轧坯沿径向的展宽速度是2mm/s～15mm/s。

7、按照权利要求1或2所述的辗轧成形方法，其特征在于：所述预轧坯受到的径向轧制力是40000kg～220000kg。

8、按照权利要求6所述的辗轧成形方法，其特征在于：所述预轧坯受到的径向轧制力是40000kg～220000kg。