CN102672439A - H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法 - Google Patents

Abstract

一种H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法，包括如下步骤：1）熔炼；2）液态模锻：将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，热作液态模锻模具溶液浇注到液态模锻模具内，浇注温度1530-1630℃，加压速度30-40mm/s，充型时间1-6s，比压150-200MPa，并在该压力下保压35-90s，得到近终截面环坯；3）均匀化；4）余热等温轧制：均匀化后的近终截面环坯降温至1065-1175℃时，在径轴复合轧环机上进行余热等温轧制；5）热处理；6）精整。本发明的H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法不仅能够简化热作液态模锻模具环件的制坯工艺流程、降低成本和提高生产效率，而且还能够有效改善镍基高温热作液态模锻模具环件的微观组织状态，提高综合力学性能。

Description

H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法

技术领域

本发明涉及一种具有复杂截面的大直径金属环件的短流程加工成形方法，具体的涉及一种牌号为H13的热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法。

背景技术

H13是常用的热作模具钢，使用H13制备的大型环件主要用于特殊车辆及装备制造领域，工作环境恶劣。特殊的使用环境对环件的尺寸精度和综合力学性能提出了近乎苛刻的要求：一方面要求零件具有高精度的外形尺寸，避免后续机加成形，浪费大量人力物力的同时严重降低环件使用性能；另一方面要求零件具有优异的组织状态以达到综合力学性能的要求。

目前，复杂截面环件的制备通常采用热轧制（也称作热辗扩）与机械切削加工联合完成。该工艺基于成形锭坯轧制出矩形截面的环坯，再通过机械切削将矩形截面加工成所需要的复杂截面。主要加工工艺流程为：冶炼→开坯→下料→镦粗→冲孔→热轧制→热处理→机械加工。该工艺存在以下几个方面的问题：

1）流程冗长，工序繁多，生产效率低；

2）辗扩环坯需冲孔制备，且最终截面形状需通过切削多余敷料保证，材料利用率低；

3）机械加工过程切断金属流线，导致环件综合力学性能下降；

4）制备过程需反复加热，导致晶粒粗大，表面氧化严重，能源损耗大。

公开号为CN 101817134A的中国专利公开了一种金属环件短流程铸辗复合成形的方法，该金属环件短流程铸辗复合成形的方法虽然在一定程度上满足生产流程短，节省能源、材料和人力的有益效果，但是该方法采用离心铸造环坯，无法满足复杂截面环件的加工要求，且生产得到的金属环件的综合力学性能还达不到极端环境的使用要求。

鉴于此，本发明旨在探索一种异截面热作模具钢大型环件液态模锻轧制复合成形方法，该方法不仅能够简化热作H13模具钢大型环件的制坯工艺流程、降低成本和提高生产效率，而且还能够有效改善热作液态模锻模具环件的微观组织状态，提高综合力学性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法，该复合成形方法不仅能够简化热作液态模锻模具环件的制坯工艺流程、降低成本和提高生产效率，而且还能够有效改善镍基高温热作液态模锻模具环件的微观组织状态，提高综合力学性能。

要实现上述技术目的，本发明的H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法，包括熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整；

所述液态模锻为：将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，将熔炼得到的H13模具钢溶液定量浇注到液态模锻模具内，浇注温度为1530-1630 ℃，加压速度为30-40 mm/s，充型时间1-6 s，比压150-200 MPa，并在该压力下保压35-90 s，得到近终截面环坯； 

所述余热等温轧制为：经均匀化后的近终截面环坯降温至1065-1175℃时，在径轴复合轧环机上进行余热等温轧制。

进一步，H13模具钢熔炼完成后，将模具钢溶液在钢包精炼炉内炉外精炼，且炉外精炼的温度为1600-1650 ℃；

进一步，将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，预热至150-200 ℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层钇氧化物基耐火涂层，涂层厚度10-20 μm，继续预热液态模锻模具至350-400 ℃；

进一步，所述余热等温轧制依次包括快速辗扩阶段、稳定辗扩阶段、减速辗扩阶段和成圆整形阶段，所述快速辗扩阶段和稳定辗扩阶段时的轴向进给速度V_轴向与径向进给速度V_径向满足V_轴向=0.5-0.6V_径向，所述减速辗扩阶段和成圆整形阶段时，径轴复合轧环机的锥辊不进给，仅轧制由于径向轧制引起的宽展，当环坯的外径与成品环相差30-50 mm 时，轴向轧辊抬起；

进一步，轧制模具与坯料温差为±10℃；

进一步，径轴复合轧环机的径向进给量选择锻透所要求的最小进给量和咬入孔型所允许的最大进给量之间的较小值；

进一步，所述精整为冷精整；

进一步，余热等温轧制过程中，径轴复合轧环机的主辊转速为0.5-0.8 rad/s，芯辊进给速度为1-30 mm/s；

进一步，所述液态模锻模具的型腔形状与环件的形状相似，在液态模锻模具的设计时，选取内/外截面上形状简单的一侧作为定位基准面，并根据余热轧制时轧辊与近终截面环坯接触的形状设置液态模锻模具的型腔，且液态模锻模具型腔的闭合尺寸与环件最终截面尺寸相比：液态模锻模具的径向尺寸大于环件的径向尺寸，液态模锻模具的轴向尺寸小于环件的径向尺寸；

进一步，所述余热轧制的辗扩比≥1.4，控制轧制后的近终截面环坯的内孔偏心度≤3°，液态模锻得到的近终截面环坯的芯孔直径≥330mm。

本发明的有益效果为：

本发明的H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法采用熔炼→液态模锻→均匀化→余热轧制→热处理→精整的工艺流程，该方法首先熔炼H13模具钢溶液，随后采用液态模锻工艺得到近终截面环坯，并利用环坯凝固的余热直接辗扩成形，与传统工艺相比，具有以下优点：

1）短流程，有效提高生产效率；

2）无冲孔工序，模具钢环件的复杂截面依靠液态模锻模具与轧辊孔型共同保证，显著提高材料利用率，实现近终成形；

3）液锻环坯组织状态显著优于普通铸造环坯，辅以后续的热轧制成形可充分保证环坯材料的锻态改性，获得细密且均匀化的组织；

4）精整工序有效保证环件截面尺寸和表面精度，避免机加工造成环件流线切断的问题，显著提高综合力学性能；

5）坯料无须反复加热，节能减排，实现绿色制造。

因此，本发明的H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法能够有效简化制坯工艺，缩短工艺流程，降低成本，提高生产率和经济效益，具有巨大的发展潜力和广阔的推广应用前景。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式作详细说明。

第一实施例

本实施例的H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法，包括熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整。

熔炼为：将H13模具钢在熔化炉内进行熔炼，熔炼完成后，将模具钢溶液在钢包精炼炉内炉外精炼，且本实施例炉外精炼的温度为1600 ℃。

液态模锻为：将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，将熔炼后得到的H13模具钢溶液定量浇注到液态模锻模具内，浇注温度为1530 ℃，加压速度为30 mm/s，充型时间6 s，比压150 MPa，并在该压力下保压90s，得到近终截面环坯。比压是指液态金属在压力下冷却承受的单位压力。优选的，将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，并预热至150 ℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层钇氧化物基耐火涂层，涂层厚度10μm，继续预热液态模锻模具至350℃，通过在液态模锻模具型腔内喷上一层钇氧化物基耐火涂层，能够方便脱模。

采用液态模锻制成近终截面环坯，使H13模具钢在压力下结晶、成形并产生少量塑性变形，获得内部组织致密，晶粒细小，表面光洁的优质液态模锻件。液态模锻具有以下工艺特点：

1）液态模锻可以消除铸件内部的气孔、缩孔和疏松等缺陷，产生局部的塑性变形，使铸件组织致密；

2）液态金属在压力下成形和凝固，使铸件与型腔壁贴合紧密，因而液态模锻件有较高的表面光洁度和尺寸精度，其级别能达到压铸件的水平；

3）液态模锻件在凝固过程中，各部位处于压应力状态，有利于铸件的补缩和防止铸造裂纹的产生；

4）液态模锻工艺非常适合制备截面复杂的环坯，可有效降低成本，提高环件的材料利用率。液态模锻技术还具有工艺简单、铸件机械性能好、生产效率高、成本相对较低等优点。

余热等温轧制为：经均匀化后的近终截面环坯降温至1065℃时，在径轴复合轧环机上进行余热等温轧制。本实施例的余热等温轧制依次包括快速辗扩阶段、稳定辗扩阶段、减速辗扩阶段和成圆整形阶段共四个阶段，快速辗扩阶段和稳定辗扩阶段时的轴向进给速度V_轴向与径向进给速度V_径向满足V_轴向=0.5V_径向，减速辗扩阶段和成圆整形阶段时，径轴复合轧环机的锥辊不进给，仅轧制由于径向轧制引起的宽展，当环坯的外径与成品环相差30mm 时，轴向轧辊抬起，在余热等温轧制过程中，轧制模具与坯料温差为±10℃，本实施例的轧制模具与坯料温差为0℃。径轴复合轧环机的轧辊异形孔型依据环件产品截面设计，并与液态模锻模具型腔截面匹配，并保证足够的变形程度及两者匹配。径轴复合轧环机的径向进给量选择锻透所要求的最小进给量和咬入孔型所允许的最大进给量之间的较小值。优选的，在余热等温轧制过程中，径轴复合轧环机的主辊转速为0.5rad/s，芯辊进给速度为25mm/s。

进一步，本实施例的精整为冷精整。

进一步，液态模锻模具的型腔形状与环件的形状相似，在液态模锻模具的设计时，选取内/外截面上形状简单的一侧作为定位基准面，并根据余热轧制时轧辊与近终截面环坯接触的形状设置液态模锻模具的型腔，有效避免毛坯截面形状复杂导致轧制初期环坯与轧辊之间的点/线接触，导致打滑或咬合不良的问题。液态模锻模具型腔的闭合尺寸与环件最终截面尺寸相比：液态模锻模具的径向尺寸大于环件的径向尺寸，液态模锻模具的轴向尺寸小于环件的径向尺寸，具体尺寸根据辗扩比确定。

进一步，余热轧制的辗扩比≥1.4，本实施例的辗扩比=1.4，以保证最终环件具有明显的周向纤维。控制轧制后的近终截面环坯的内孔偏心度≤3°本实施例的近终截面环坯内孔偏心度为1°，保证最终环坯几何精度和重量精度，液态模锻得到的近终截面环坯的芯孔直径≥330mm。

本实施例的H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法采用熔炼→液态模锻→均匀化→余热轧制→热处理→精整的工艺流程，该方法首先熔炼H13模具钢溶液，随后采用液态模锻工艺得到近终截面环坯，并利用环坯凝固的余热直接辗扩成形，与传统工艺相比，具有以下优点：

1）短流程，有效提高生产效率；

2）无冲孔工序，模具钢环件的复杂截面依靠液态模锻模具与轧辊孔型共同保证，显著提高材料利用率，实现近终成形；

3）液锻环坯组织状态显著优于普通铸造环坯，辅以后续的热轧制成形可充分保证环坯材料的锻态改性，获得细密且均匀化的组织；

4）精整工序有效保证环件截面尺寸和表面精度，避免机加工造成环件流线切断的问题，显著提高综合力学性能；

5）坯料无须反复加热，节能减排，实现绿色制造；

因此，本实施例的H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法有效简化制坯工艺，缩短工艺流程，降低成本，提高生产率和经济效益，具有巨大的发展潜力和广阔的推广应用前景。

第二实施例

本实施例的H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法，包括熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整。

熔炼为：将H13模具钢在熔化炉内进行熔炼，模具钢熔炼完成后，将模具钢溶液在钢包精炼炉内炉外精炼，且本实施例炉外精炼的温度为1650 ℃。

液态模锻为：将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，将熔炼后得到的H13模具钢溶液定量浇注到液态模锻模具内，浇注温度为1630℃，加压速度为40mm/s，充型时间1 s，比压200 MPa，并在该压力下保压35s，得到近终截面环坯。优选的，将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，并预热至200℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层钇氧化物基耐火涂层，涂层厚度20 μm，继续预热液态模锻模具至400℃，通过在液态模锻模具型腔内喷上一层钇氧化物基耐火涂层，能够方便脱模。

采用液态模锻制成近终截面环坯，使H13模具钢在压力下结晶、成形并产生少量塑性变形，获得内部组织致密，晶粒细小，表面光洁的优质液态模锻件。液态模锻具有以下工艺特点：

1）液态模锻可以消除铸件内部的气孔、缩孔和疏松等缺陷，产生局部的塑性变形，使铸件组织致密；

2）液态金属在压力下成形和凝固，使铸件与型腔壁贴合紧密，因而液态模锻件有较高的表面光洁度和尺寸精度，其级别能达到压铸件的水平；

3）液态模锻件在凝固过程中，各部位处于压应力状态，有利于铸件的补缩和防止铸造裂纹的产生；

4）液态模锻工艺非常适合制备截面复杂的环坯，可有效降低成本，提高环件的材料利用率。液态模锻技术还具有工艺简单、铸件机械性能好、生产效率高、成本相对较低等优点。

余热等温轧制为：经均匀化处理后的近终截面环坯降温至1175℃时，在径轴复合轧环机上进行余热等温轧制。本实施例的余热等温轧制依次包括快速辗扩阶段、稳定辗扩阶段、减速辗扩阶段和成圆整形阶段共四个阶段，快速辗扩阶段和稳定辗扩阶段时的轴向进给速度V_轴向与径向进给速度V_径向满足V_轴向=0.6V_径向，减速辗扩阶段和成圆整形阶段时，径轴复合轧环机的锥辊不进给，仅轧制由于径向轧制引起的宽展，当环坯的外径与成品环相差50mm 时，轴向轧辊抬起，在余热等温轧制过程中，轧制模具与坯料温差为±10℃。本实施例的轧制模具与坯料温差为10℃。径轴复合轧环机的轧辊异形孔型依据环件产品截面设计，并与液态模锻模具型腔截面匹配，并保证足够的变形程度及两者匹配。径轴复合轧环机的径向进给量选择锻透所要求的最小进给量和咬入孔型所允许的最大进给量之间的较小值。优选的，在余热等温轧制过程中，径轴复合轧环机的主辊转速为0.8rad/s，芯辊进给速度为30mm/s。

进一步，本实施例的精整为冷精整。

进一步，液态模锻模具的型腔形状与环件的形状相似，在液态模锻模具的设计时，选取内/外截面上形状简单的一侧作为定位基准面，并根据余热轧制时轧辊与近终截面环坯接触的形状设置液态模锻模具的型腔，有效避免毛坯截面形状复杂导致轧制初期环坯与轧辊之间的点/线接触，导致打滑或咬合不良的问题。液态模锻模具型腔的闭合尺寸与环件最终截面尺寸相比：液态模锻模具的径向尺寸大于环件的径向尺寸，液态模锻模具的轴向尺寸小于环件的径向尺寸，具体尺寸根据辗扩比确定。

进一步，余热轧制的辗扩比≥1.4，本实施例的辗扩比=3，以保证最终环件具有明显的周向纤维。控制轧制后的近终截面环坯的内孔偏心度≤3°本实施例的近终截面环坯内孔偏心度为2°，保证最终环坯几何精度和重量精度，液态模锻得到的近终截面环坯的芯孔直径≥330mm。

本实施例的H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法采用熔炼→液态模锻→均匀化→余热轧制→热处理→精整的工艺流程，该方法首先熔炼H13模具钢溶液，随后采用液态模锻工艺得到近终截面环坯，并利用环坯凝固的余热直接辗扩成形，与传统工艺相比，具有以下优点：

1）短流程，有效提高生产效率；

2）无冲孔工序，模具钢环件的复杂截面依靠液态模锻模具与轧辊孔型共同保证，显著提高材料利用率，实现近终成形；

3）液锻环坯组织状态显著优于普通铸造环坯，辅以后续的热轧制成形可充分保证环坯材料的锻态改性，获得细密且均匀化的组织；

4）精整工序有效保证环件截面尺寸和表面精度，避免机加工造成环件流线切断的问题，显著提高综合力学性能；

5）坯料无须反复加热，节能减排，实现绿色制造；

因此，本实施例的H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法有效简化制坯工艺，缩短工艺流程，降低成本，提高生产率和经济效益，具有巨大的发展潜力和广阔的推广应用前景。

第三实施例

本实施例的H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法，包括熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整。

熔炼为：将H13模具钢在熔化炉内进行熔炼，模具钢熔炼完成后，将模具钢溶液在钢包精炼炉内炉外精炼，且本实施例炉外精炼的温度为1640 ℃。

液态模锻为：将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，将熔炼后得到的H13模具钢溶液定量浇注到液态模锻模具内，浇注温度为1620℃，加压速度为35mm/s，充型时间5 s，比压180 MPa，并在该压力下保压50s，得到近终截面环坯。优选的，将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，并预热至180℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层钇氧化物基耐火涂层，涂层厚度15 μm，继续预热液态模锻模具至350℃，通过在液态模锻模具型腔内喷上一层钇氧化物基耐火涂层，能够方便脱模。

采用液态模锻制成近终截面环坯，使H13模具钢在压力下结晶、成形并产生少量塑性变形，获得内部组织致密，晶粒细小，表面光洁的优质液态模锻件。液态模锻具有以下工艺特点：

1）液态模锻可以消除铸件内部的气孔、缩孔和疏松等缺陷，产生局部的塑性变形，使铸件组织致密；

2）液态金属在压力下成形和凝固，使铸件与型腔壁贴合紧密，因而液态模锻件有较高的表面光洁度和尺寸精度，其级别能达到压铸件的水平；

3）液态模锻件在凝固过程中，各部位处于压应力状态，有利于铸件的补缩和防止铸造裂纹的产生；

4）液态模锻工艺非常适合制备截面复杂的环坯，可有效降低成本，提高环件的材料利用率。液态模锻技术还具有工艺简单、铸件机械性能好、生产效率高、成本相对较低等优点。

余热等温轧制为：经均匀化后的近终截面环坯降温至1080℃时，在径轴复合轧环机上进行余热等温轧制。本实施例的余热等温轧制依次包括快速辗扩阶段、稳定辗扩阶段、减速辗扩阶段和成圆整形阶段共四个阶段，快速辗扩阶段和稳定辗扩阶段时的轴向进给速度V_轴向与径向进给速度V_径向满足V_轴向=0.55V_径向，减速辗扩阶段和成圆整形阶段时，径轴复合轧环机的锥辊不进给，仅轧制由于径向轧制引起的宽展，当环坯的外径与成品环相差40mm 时，轴向轧辊抬起，在余热等温轧制过程中，轧制模具与坯料温差为±10℃。本实施例的轧制模具与坯料温差为-10℃。径轴复合轧环机的轧辊异形孔型依据环件产品截面设计，并与液态模锻模具型腔截面匹配，并保证足够的变形程度及两者匹配。径轴复合轧环机的径向进给量选择锻透所要求的最小进给量和咬入孔型所允许的最大进给量之间的较小值。优选的，在余热等温轧制过程中，径轴复合轧环机的主辊转速为0.7rad/s，芯辊进给速度为1mm/s。

进一步，本实施例的精整为冷精整。

进一步，液态模锻模具的型腔形状与环件的形状相似，在液态模锻模具的设计时，选取内/外截面上形状简单的一侧作为定位基准面，并根据余热轧制时轧辊与近终截面环坯接触的形状设置液态模锻模具的型腔，有效避免毛坯截面形状复杂导致轧制初期环坯与轧辊之间的点/线接触，导致打滑或咬合不良的问题。液态模锻模具型腔的闭合尺寸与环件最终截面尺寸相比：液态模锻模具的径向尺寸大于环件的径向尺寸，液态模锻模具的轴向尺寸小于环件的径向尺寸，具体尺寸根据辗扩比确定。

进一步，余热轧制的辗扩比≥1.4，本实施例的辗扩比=2，以保证最终环件具有明显的周向纤维。控制轧制后的近终截面环坯的内孔偏心度≤3°，本实施例的近终截面环坯内孔偏心度为3°，保证最终环坯几何精度和重量精度，液态模锻得到的近终截面环坯的芯孔直径≥330mm。

本实施例的H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法采用熔炼→液态模锻→均匀化→余热轧制→热处理→精整的工艺流程，该方法首先熔炼H13模具钢溶液，随后采用液态模锻工艺得到近终截面环坯，并利用环坯凝固的余热直接辗扩成形，与传统工艺相比，具有以下优点：

1）短流程，有效提高生产效率；

2）无冲孔工序，模具钢环件的复杂截面依靠液态模锻模具与轧辊孔型共同保证，显著提高材料利用率，实现近终成形；

3）液锻环坯组织状态显著优于普通铸造环坯，辅以后续的热轧制成形可充分保证环坯材料的锻态改性，获得细密且均匀化的组织；

4）精整工序有效保证环件截面尺寸和表面精度，避免机加工造成环件流线切断的问题，显著提高综合力学性能；

5）坯料无须反复加热，节能减排，实现绿色制造；

因此，本实施例的H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法有效简化制坯工艺，缩短工艺流程，降低成本，提高生产率和经济效益，具有巨大的发展潜力和广阔的推广应用前景。

第四实施例

本实施例的H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法，包括熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整。

熔炼为：将H13模具钢在熔化炉内进行熔炼，模具钢熔炼完成后，将模具钢溶液在钢包精炼炉内炉外精炼，且本实施例炉外精炼的温度为1640 ℃。

液态模锻为：将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，将熔炼后得到的H13模具钢溶液定量浇注到液态模锻模具内，浇注温度为1580℃，加压速度为35 mm/s，充型时间3 s，比压170 MPa，并在该压力下保压80s，得到近终截面环坯。优选的，将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，并预热至180℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层钇氧化物基耐火涂层，涂层厚度15 μm，继续预热液态模锻模具至360℃，通过在液态模锻模具型腔内喷上一层钇氧化物基耐火涂层，能够方便脱模。

采用液态模锻制成近终截面环坯，使H13模具钢在压力下结晶、成形并产生少量塑性变形，获得内部组织致密，晶粒细小，表面光洁的优质液态模锻件。液态模锻具有以下工艺特点：

1）液态模锻可以消除铸件内部的气孔、缩孔和疏松等缺陷，产生局部的塑性变形，使铸件组织致密；

2）液态金属在压力下成形和凝固，使铸件与型腔壁贴合紧密，因而液态模锻件有较高的表面光洁度和尺寸精度，其级别能达到压铸件的水平；

3）液态模锻件在凝固过程中，各部位处于压应力状态，有利于铸件的补缩和防止铸造裂纹的产生；

4）液态模锻工艺非常适合制备截面复杂的环坯，可有效降低成本，提高环件的材料利用率。液态模锻技术还具有工艺简单、铸件机械性能好、生产效率高、成本相对较低等优点。

余热等温轧制为：经均匀化后的近终截面环坯降温至1100℃时，在径轴复合轧环机上进行余热等温轧制。本实施例的余热等温轧制依次包括快速辗扩阶段、稳定辗扩阶段、减速辗扩阶段和成圆整形阶段共四个阶段，快速辗扩阶段和稳定辗扩阶段时的轴向进给速度V_轴向与径向进给速度V_径向满足V_轴向=0.55V_径向，减速辗扩阶段和成圆整形阶段时，径轴复合轧环机的锥辊不进给，仅轧制由于径向轧制引起的宽展，当环坯的外径与成品环相差40mm 时，轴向轧辊抬起，在余热等温轧制过程中，轧制模具与坯料温差为±10℃。本实施例的轧制模具与坯料温差为0℃。径轴复合轧环机的轧辊异形孔型依据环件产品截面设计，并与液态模锻模具型腔截面匹配，并保证足够的变形程度及两者匹配。径轴复合轧环机的径向进给量选择锻透所要求的最小进给量和咬入孔型所允许的最大进给量之间的较小值。优选的，在余热等温轧制过程中，径轴复合轧环机的主辊转速为0.6rad/s，芯辊进给速度为10mm/s。

进一步，本实施例的精整为冷精整。

进一步，液态模锻模具的型腔形状与环件的形状相似，在液态模锻模具的设计时，选取内/外截面上形状简单的一侧作为定位基准面，并根据余热轧制时轧辊与近终截面环坯接触的形状设置液态模锻模具的型腔，有效避免毛坯截面形状复杂导致轧制初期环坯与轧辊之间的点/线接触，导致打滑或咬合不良的问题。液态模锻模具型腔的闭合尺寸与环件最终截面尺寸相比：液态模锻模具的径向尺寸大于环件的径向尺寸，液态模锻模具的轴向尺寸小于环件的径向尺寸，具体尺寸根据辗扩比确定。

进一步，余热轧制的辗扩比≥1.4，本实施例的辗扩比=1.5，以保证最终环件具有明显的周向纤维。控制轧制后的近终截面环坯的内孔偏心度≤3°，本实施例的近终截面环坯内孔偏心度为3°，保证最终环坯几何精度和重量精度，液态模锻得到的近终截面环坯的芯孔直径≥330mm。

本实施例的H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法采用熔炼→液态模锻→均匀化→余热轧制→热处理→精整的工艺流程，该方法首先熔炼H13模具钢溶液，随后采用液态模锻工艺得到近终截面环坯，并利用环坯凝固的余热直接辗扩成形，与传统工艺相比，具有以下优点：

1）短流程，有效提高生产效率；

2）无冲孔工序，模具钢环件的复杂截面依靠液态模锻模具与轧辊孔型共同保证，显著提高材料利用率，实现近终成形；

3）液锻环坯组织状态显著优于普通铸造环坯，辅以后续的热轧制成形可充分保证环坯材料的锻态改性，获得细密且均匀化的组织；

4）精整工序有效保证环件截面尺寸和表面精度，避免机加工造成环件流线切断的问题，显著提高综合力学性能；

5）坯料无须反复加热，节能减排，实现绿色制造；

因此，本实施例的H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法有效简化制坯工艺，缩短工艺流程，降低成本，提高生产率和经济效益，具有巨大的发展潜力和广阔的推广应用前景。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法，其特征在于：包括熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整；

所述液态模锻为：将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，将熔炼得到的H13模具钢溶液定量浇注到液态模锻模具内，浇注温度为1530-1630 ℃，加压速度为30-40 mm/s，充型时间1-6 s，比压150-200 MPa，并在该压力下保压35-90 s，得到近终截面环坯；

所述余热等温轧制为：经均匀化处理后的近终截面环坯降温至1065-1175℃时，在径轴复合轧环机上进行余热等温轧制。

2.根据权利要求1所述的H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法，其特征在于：H13模具钢熔炼完成后，将模具钢溶液在钢包精炼炉内进行炉外精炼，且炉外精炼的温度为1600-1650 ℃。

3.根据权利要求1所述的H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法，其特征在于：将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，预热至150-200 ℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层钇氧化物基耐火涂层，涂层厚度10-20 μm，继续预热液态模锻模具至350-400 ℃。

4.根据权利要求1所述的H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法，其特征在于：所述余热等温轧制依次包括快速辗扩阶段、稳定辗扩阶段、减速辗扩阶段和成圆整形阶段，所述快速辗扩阶段和稳定辗扩阶段时的轴向进给速度V_轴向与径向进给速度V_径向满足V_轴向=0.5-0.6V_径向，所述减速辗扩阶段和成圆整形阶段时，径轴复合轧环机的锥辊不进给，仅轧制由于径向轧制引起的宽展，当环坯的外径与成品环相差30-50 mm 时，轴向轧辊抬起。

5.根据权利要求4所述的H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法，其特征在于：轧制模具与坯料温差为±10℃。

6.根据权利要求4所述的H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法，其特征在于：径轴复合轧环机的径向进给量选择锻透所要求的最小进给量和咬入孔型所允许的最大进给量之间的较小值。

7.根据权利要求1所述的H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法，其特征在于：所述精整为冷精整。

8.根据权利要求1所述的H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法，其特征在于：余热等温轧制过程中，径轴复合轧环机的主辊转速为0.5-0.8 rad/s，芯辊进给速度为1-30 mm/s。

9.根据权利要求1-8任一项所述的H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法，其特征在于：所述液态模锻模具的型腔形状与环件的形状相似，在液态模锻模具的设计时，选取内/外截面上形状简单的一侧作为定位基准面，并根据余热轧制时轧辊与近终截面环坯接触的形状设置液态模锻模具的型腔，且液态模锻模具型腔的闭合尺寸与环件最终截面尺寸相比：液态模锻模具的径向尺寸大于环件的径向尺寸，液态模锻模具的轴向尺寸小于环件的径向尺寸。

10.根据权利要求1所述的H13热作模具钢异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法，其特征在于：所述余热轧制的辗扩比≥1.4，控制轧制后的近终截面环坯的内孔偏心度≤3°，液态模锻得到的近终截面环坯的芯孔直径≥330mm。