CN102085551A - 铁基高温合金高筒环锻件的辗轧成形方法 - Google Patents

铁基高温合金高筒环锻件的辗轧成形方法 Download PDF

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本发明公开了一种铁基高温合金高筒环锻件的辗轧成形方法,为轧制成形薄壁及组织和性能优良的高筒环锻件,其技术方案为:先把经预热的随动模套和加热到变形温度的钛合金预轧坯套装进轧环机,由轧环机的主辊、芯辊、抱辊和上、下锥辊对该两个工件进行定位;再启动轧环机,由其芯辊沿径向朝主辊方向作进给运动并与主辊一起以380KN~4300KN的轧制力在随动模套内辗轧预轧坯,使其以3mm/s~10mm/s的速度沿径向展宽,壁厚逐渐减小,其变形量达25%~45%后被辗轧成高筒环锻件,辗轧时上、下锥辊及两个抱辊不随预轧坯的径向展宽而外移。采用该方法轧制成形的钛合金高筒环锻件的壁厚最小值是25mm,高厚比的最大值是25mm,该锻件主要用于航空航天等领域使用的封严环等回转体零部件。

Description

铁基高温合金高筒环锻件的辗轧成形方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种环形锻件的轧制成形方法,特别是涉及了铁基高温合金高筒环锻 件的辗轧成形方法。
背景技术
[0002] 采用铁基高温合金制造的航空航天等领域使用的回转体零部件,如封严环锻件 等,由于锻件的壁厚较薄,高度较高,再加上锻件尺寸精度、性能及组织要求也较高,增加了 轧制成形的难度。
[0003] 2008年10月8日公开的中国发明专利说明书CN 101279346A公开了一种镍基高 温合金异形环锻件的辗轧成形方法,该方法把按规格下料的合金棒料经镦粗、冲孔、两次轧 环制坯(不使用辗轧模具),再把坯料装进轧环机辗轧模具内辗轧成形,通过在连续两次轧 环制坯过程中采取小变形量成形的方式和在各工艺步骤中控制准确的变形量,轧制出了组 织和性能良好的异形环锻件。采用该方法轧制壁厚较薄的铁基高温合金高筒环锻件时,由 于主辊的转动方向与预轧坯的转动方向不一致,轧制时辗轧模具的孔型与预轧坯之间产生 激烈的摩擦不仅使轧制过程非常不稳定对生产造成影响,而且还容易导致预轧坯温度升高 对合金的组织和性能产生影响,如出现组织变异、晶粒粗大等缺陷。
[0004] 在采用上述方法及直接使用轧环机的主辊和芯辊轧制(如上述方法中的轧环制 坯)薄壁的铁基高温合金高筒环锻件时,由于受轧环机的主辊等部件刚度的影响,加上薄 壁高筒环锻件的结构刚度较差和加工余量较小,轧制过程中易导致预轧坯出现塑性失稳而 产生轧扁、喇叭口等现象,造成环锻件形状和尺寸达不到设计使用或机加工要求而报废,这 对价格昂贵的铁基高温合金材料来说损失较大。而且,由于轧制时上、下锥辊及两个抱辊要 随预轧坯的径向展宽而外移,增加了设备操作和控制的难度。
[0005] 辗轧过程中,预轧坯刚开始轧制时由于先向其转动方向一侧的抱辊偏移,再向另 一侧的抱辊偏移,使预轧坯在轧制过程中有朝其两侧的抱辊左右摆动的现象,受抱辊扶持 产生的反作用力影响,环锻件容易被轧扁而报废。而且由于轧环机的抱辊尺寸是一定的,其 高度一般没有高筒环锻件的高度高,因此轧制过程中受抱辊的反作用力在环锻件的外周面 易出现由于抱辊的“辅轧”而形成台阶痕迹,对环锻件的形状及尺寸精度造成不良影响。
发明内容
[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种采用随动模套来实现铁基高温合金高筒环 锻件的辗轧成形方法,采用该方法能够轧制出薄壁并具有优良组织和性能的高筒环锻件。
[0007] 为解决上述技术问题,本发明所述铁基高温合金高筒环锻件的辗轧成形方法,其 技术方案包括以下步骤:
[0008] 预热随动模套到260°C〜310°C的温度,并加热铁基高温合金预轧坯到1000°C〜 1100°C的变形温度;
[0009] 把所述随动模套和预轧坯装进轧环机,使随动模套套住预轧坯、预轧坯套住芯辊并且沿主辊和芯辊的中心距方向随动模套与主辊的外周面之间、随动模套的内环面与预轧 坯的外周面之间、以及预轧坯的内环面与芯辊的外周面之间分别相切接触,随动模套被两 个抱辊在其外周面扶持,上锥辊和下锥辊沿随动模套和预轧坯的上、下端面夹持该两个工 件;
[0010] 启动轧环机使其主辊旋转并驱动随动模套、预轧坯、芯辊和两个抱辊转动,同时由 轧环机驱动上锥辊和下锥辊夹持住随动模套和预轧坯一起转动,芯辊沿径向朝主辊方向作 进给运动并与主辊一起以380KN〜4300KN的轧制力在随动模套内辗轧预轧坯,预轧坯以 3mm/s〜10mm/S的速度沿径向展宽,壁厚逐渐减小,其变形量达25%〜45%后被辗轧成高 筒环锻件,辗轧时上、下锥辊及两个抱辊不随预轧坯的径向展宽而外移。
[0011] 在采用上述方法辗轧不同截面形状的高筒环锻件时,所述随动模套的内环面形状 是可以依高筒环锻件的外周面形状来调整的。
[0012] 并且,所述随动模套在设计时,其最小壁厚按下式计算:
[0013] D0 = L-D1-R1-R2
[0014] 式中:¾为随动模套的最小壁厚;
[0015] L为主辊与芯辊的最小中心距;
[0016] D1为高筒环锻件的径向最小壁厚;
[0017] R1为主辊的半径;
[0018] &为芯辊的半径。
[0019] 采用上述辗轧成形方法轧制成形的高筒环锻件,其壁厚最小值是25mm,高厚比的 最大值是25mm。
[0020] 与现有技术相比,本发明的有益效果如下:
[0021] 本发明把经预热的随动模套和加热到变形温度的铁基高温合金预轧坯套装进轧 环机定位后,由其芯辊沿径向朝主辊方向作进给运动并与主辊一起在随动模套内辗轧预轧 坯使其变形成形,获得了薄壁及组织和性能优良的高筒环锻件。
[0022] 辗轧过程中,由于随动模套只进行了预热处理,其在轧制过程中几乎是不会变形 的。尽管轧制时主辊的转动方向与预轧坯的转动方向不一致,但由于在预轧坯和主辊之间 隔了一层随动模套,并且预轧坯在随动模套内与其一起同向转动,克服了预轧坯与随动模 套之间由于产生激烈的摩擦使轧制过程不稳定和易导致预轧坯温度升高的现象,从而有利 于组织生产和获得优质锻件。
[0023] 辗轧过程中,由于预轧坯的外周面紧贴在随动模套的内环面上并与其一起同向、 同步转动,避免了预轧坯与其转向相反的主辊刚性部件的影响,从而避免其出现塑性失稳 而产生轧扁、喇叭口等现象,而且与预轧坯一起同向、同步转动的随动模套还可对预轧坯的 外周面进行整圆防止其轧扁和出现喇叭口等现象,可实现精密轧制成形尺寸精度高的环锻 件,节省贵重的铁基高温合金材料。
[0024] 辗轧过程中,由于预轧坯是套装在随动模套内,是由随动模套的外周面与两个抱 辊的外周面直接接触,因此即使产生摆动现象也不会对随动模套内的预轧坯产生太大影 响,而且也不会由于抱辊的“辅轧”使环锻件的外周面出现台阶痕迹。
[0025] 辗轧过程中,由于上、下锥辊及两个抱辊不随预轧坯的径向展宽而外移,降低了对 设备的控制和操作难度。[0026] 以牌号为GH907的变形铁基高温合金为例:
[0027] 经检测该合金高筒环锻件的尺寸精度,达到了相应尺寸的3%。(千分之三)。
[0028] 经检测该合金高筒环锻件的室温拉伸性能,其抗拉强度为1150MI^〜1190MPa (大 于设计使用要求的1035MPa),伸长率为0. 2%时的屈服强度为825MPa〜905MPa (大于设计 使用要求的725MPa),断后伸长率为13%〜15% (大于设计使用要求的5% ),断面收缩率 为11%〜13. 5% (大于设计使用要求的7.5%)。
[0029] 经检测该合金高筒环锻件540°C的高温拉伸性能,其抗拉强度为1030MPa〜 1040MPa (大于设计使用要求的825MPa),伸长率为0. 2 %时的屈服强度为650MPa〜 655MPa(大于设计使用要求的585MPa),断后伸长率为16% (大于设计使用要求的12% ), 断面收缩率为30%〜31% (大于设计使用要求的30%)。
[0030] 经检测该合金高筒环锻件的持久性能,该合金锻件在试验温度为540°C、试验应力 为825MPa、持续时间在121小时内未断(大于设计使用要求的60小时)。
[0031] 经检测该合金高筒环锻件的金相组织、热膨胀性能和超声波探伤等,达到了《低膨 胀GH907合金环坯和环形件》(HB768》航空行业标准的要求。
附图说明
[0032] 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。
[0033] 图1是预轧坯的立体结构示意图。
[0034] 图2是随动模套和预轧坯的装机定位及辗轧状态示意图。
[0035] 图3是预轧坯辗轧成高筒环锻件的立体结构示意图。
[0036] 图4是采用本发明所述方法辗轧第一种异形截面高筒环锻件时沿其中 剖面结构状态图。
[0037] 图5是采用本发明所述方法辗轧第二种异形截面高筒环锻件时沿其中 剖面结构状态图。
[0038] 图6是采用本发明所述方法辗轧第三种异形截面高筒环锻件时沿其中 剖面结构状态图。
具体实施方式
[0039] 实施本发明所述的铁基高温合金高筒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、机械手等设备。下面以我国材料牌号为GH907的变形铁基高温合金为 例来详细说明该方法的具体实施方式:
[0040] 该合金的主要化学元素含量(重量百分比)为:含C量彡0.06%、含Si量 0. 07%〜0. 35%、含 Ni 量 35. 0%〜40. 0%、含 Co 量 12. 0%〜16. 0%、含恥+1&量4. 3%〜 5. 2%、含 Ti 量 1. 3%〜1. 8%、含 Cr 量;^ 1. 00%、含 Al 量;^ 0. 20%、含 Mn 量;^ 1. 00%、含 Cu量彡0. 50%、含B量彡0. 012%、含S量彡0. 015%、含P量彡0. 015%、余量为Fe。
[0041] 该合金从棒料到生产出合格的高筒环锻件的工艺步骤如下:
[0042] 步骤1 :制坯。
[0043] 把按规格下料的GH907合金棒料经加热、镦粗、冲孔、拔长、预轧后制取预轧坯 10°,其形状如图1所示。
线的纵 线的纵 线的纵[0044] 步骤2:装机。
[0045] 如图2所示,把随动模套4在锻造加热炉内预热到沈01:〜310°C后装进轧环机并 平放在该机的底盘上(图中未示出),随动模套4套进轧环机的芯辊2,其外周面与轧环机 的主辊1及两个抱辊3的外周面相切接触,两个抱辊3对随动模套4起扶持作用;同时把预 轧坯10°在锻造加热炉内加热到1000°C〜1100°C的变形温度后装进轧环机套进轧环机的 芯辊2并套在随动模套4内后平放在该机的底盘上(图中未示出),随动模套4的外周面与 主辊1的外周面之间、预轧坯10°的外周面与随动模套4的内环面之间、及预轧坯10°的 内环面与芯辊2的外周面之间均沿芯辊2和主辊4的中心距方向相切接触;启动轧环机使 其上锥辊5和下锥辊6沿随动模套4和预轧坯10°的上下端面夹持该两个工件,完成该两 个工件的装机定位。装机时工件的装运主要通过机械手操作完成。
[0046] 步骤3:辗轧。
[0047] 启动轧环机使其主辊1按图2所示方向旋转,主辊1驱动随动模套4、预轧坯10°、 芯辊2和两个抱辊3按图2所示的方向转动,同时由轧环机驱动上锥辊5和下锥辊6按图 2所示方向转动并在随动模套4和预轧坯10°轧制过程中夹持该两个工件的上、下端面,使 轧环机的两个抱辊3扶持住随动模套4的外圆周面;芯辊2沿径向朝主辊1方向作进给运 动并与主辊1 一起以380KN〜4300KN的轧制力在随动模套4内辗轧预轧坯10°,预轧坯 10°以3mm/s〜lOmm/s的速度沿径向展宽,其壁厚逐渐减小,上、下锥辊5和6以及两个抱 辊3不随预轧坯10°的径向展宽而外移。
[0048] 预轧坯10°在随动模套4内被辗轧产生连续局部塑性变形,当其变形量达25%〜 45%后被轧制成形为高筒环锻件10(如图3所示),关闭轧环机,所有转动部件停止后移开 主辊1、上锥辊5和下锥辊6、两个抱辊3以及压在芯辊2顶部的轧环机悬臂,从芯辊2顶部 取出随动模套4后再取出高筒环锻件10。
[0049] 高筒环锻件10终轧后进行固溶处理,即把锻件加热至980°C左右,保温1〜1. 5h, 快冷。
[0050] 在上述步骤1和步骤3中,该合金的终锻或终轧温度不小于850°C。
[0051] 所述变形量的计算方法为:变形量=[(预轧坯10°沿中心线的纵截面面积-高 筒环锻件10沿中心线的纵截面面积)/预轧坯10°沿中心线的纵截面面积]X 100%。
[0052] 在上述轧制过程中,为保证随动模套4在轧制过程中不变形和预轧坯10°能够在 该模套内充分变形成形,该模套的最小壁厚按下式进行设计计算:
[0053] D0 = L-D1-R1-R2
[0054] 式中:Dq为随动模套4的最小壁厚;
[0055] L为主辊1与芯辊2的最小中心距;
[0056] D1为高筒环锻件10的径向最小壁厚;
[0057] R1为主辊1的半径;
[0058] &为芯辊2的半径。
[0059] 采用上述辗轧方法轧制的该合金高筒环锻件10,其最小壁厚可达25mm,高厚(指 壁厚)比最大可达25mm。
[0060] 经检测,采用上述方法辗轧成形的GH907铁基高温合金高筒环锻件10具有较高的 尺寸精度和优良的内部组织及性能,完全满足了该合金锻件的设计使用要求。[0061] 图4示出了采用上述辗轧成形方法辗轧第一种异形截面的铁基高温合金高筒环 锻件IO1时沿其中心线的纵剖面结构的状态,图中高筒环锻件IO1的外周面呈鼓包形状,对 应该高筒环锻件IO1的异形截面形状,随动模套41的内环面和芯辊21的外周面形状作了相 应的调整。
[0062] 图5示出了采用上述辗轧成形方法辗轧第二种异形截面的铁基高温合金高筒环 锻件IO2时沿其中心线的纵剖面结构的状态,图中在高筒环锻件IO2的下端面与其外周面相 交处有一突起环,对应该高筒环锻件IO2的异形截面形状,随动模套42的内环面形状作了相 应的调整,为清楚起见,对应标注了芯辊22的附图标记。
[0063] 图6示出了采用上述辗轧成形方法辗轧第三种异形截面的铁基高温合金高筒环 锻件IO3时沿其中心线的纵剖面结构的状态,图中在高筒环锻件IO3的下端面与其外周面相 交处有一突起环并在其外周面的中上部也有一突起环,对应该高筒环锻件IO3的异形截面 形状,随动模套43的内环面形状作了相应的调整,为清楚起见,并对应标注了芯辊23的附图 标记。
[0064] 采用本发明提供的上述辗轧成形方法并不限于上述实施方式,对于不同截面形状 的高筒环锻件,只需对应改变随动模套和芯辊的形状,按照上述方法便可辗轧出不同截面 形状的高筒环锻件。

Claims (4)

1. 一种铁基高温合金高筒环锻件的辗轧成形方法,其特征在于,包括以下步骤:预热随动模套到260°c〜310°C的温度,并加热铁基高温合金预轧坯到1000°C〜 1100°C的变形温度;把所述随动模套和预轧坯装进轧环机,使随动模套套住预轧坯、预轧坯套住芯辊并且 沿主辊和芯辊的中心距方向随动模套与主辊的外周面之间、随动模套的内环面与预轧坯的 外周面之间、以及预轧坯的内环面与芯辊的外周面之间分别相切接触,随动模套被两个抱 辊在其外周面扶持,上锥辊和下锥辊沿随动模套和预轧坯的上、下端面夹持该两个工件;启动轧环机使其主辊旋转并驱动随动模套、预轧坯、芯辊和两个抱辊转动,同时由轧环 机驱动上锥辊和下锥辊夹持住随动模套和预轧坯一起转动,芯辊沿径向朝主辊方向作进给 运动并与主辊一起以380KN〜4300KN的轧制力在随动模套内辗轧预轧坯,预轧坯以3mm/ s〜lOmm/s的速度沿径向展宽,壁厚逐渐减小,其变形量达25%〜45%后被辗轧成高筒环 锻件,辗轧时上、下锥辊及两个抱辊不随预轧坯的径向展宽而外移。
2.根据权利要求1所述的辗轧成形方法,其特征在于:所述随动模套的内环面形状是 可以依高筒环锻件的外周面形状来调整的。
3.根据权利要求1或2所述的辗轧成形方法,其特征在于:所述随动模套的最小壁厚 按下式进行设计计算:D0 = L-D1-R1-R2式中:¾为随动模套的最小壁厚;L为主辊与芯辊的最小中心距;D1为高筒环锻件的径向最小壁厚;R1为主辊的半径;R2为芯辊的半径。
4.根据权利要求1所述的辗轧成形方法,其特征在于:所述高筒环锻件的壁厚最小值 是25mm,高厚比的最大值是25mm。
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