CN102689163B - 一种异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法 - Google Patents

Abstract

一种异截面大型环件的液态模锻轧制复合成型方法，包括熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整。该方法首先熔炼金属溶液，随后采用液态模锻得到近终截面环坯，随后均匀化合金成分并利用余热直接等温辗扩成形，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，金属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，实现近终截面环坯的成形；3）液锻环坯组织状态显著优于普通铸造环坯，能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。

Description

一种异截面大型环件的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加工成形方法，具体的涉及一种异截面大型环件的液态模锻轧制复合成型方法。

背景技术

随着我国航空、航天、核能、军工等行业的飞速发展，相关部门急需直径5米以上级的大型复杂截面环件。所谓复杂截面环件，是指环件轴向方向截面积尺寸差异较大、环件截面方向形状和尺寸变化较大、以及内表面和外表面形状均较为复杂的金属环件。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某些极端环境的使用要求。

鉴于此，本发明旨在探索一种异截面大型环件的液态模锻轧制复合成型方法，该异截面大型环件的液态模锻轧制复合成型方法不仅能够简化金属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金属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异截面大型环件的液态模锻轧制复合成型方法，该异截面大型环件的液态模锻轧制复合成型方法不仅能够简化金属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金属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，本发明的异截面大型环件的液态模锻轧制复合成型方法，包括熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整；将金属在熔化炉内按成分配比熔炼后，利用液态模锻工艺得到近终截面环坯，经均匀化后的近终截面环坯降温至金属的始锻温度时，采用径轴复合轧环机进行余热等温轧制。

进一步，所述液态模锻的工艺参数为：

（1）加压延时时间t1：对于有色金属环件，加压延时时间为10～20s；对于黑色金属环件，液态金属注入模膛后立即加压；

（2）加压速度V1： 30～100 mm/s；

（3）充型时间t2：1～6s；

（4）比压值P1：100～400MPa；

（5）保压时间t3：对于有色金属环件，当环坯的壁厚L≤50mm时，t3=0.5*L（s），当环坯的壁厚L≥100mm时，t3=1*L～1.5*L（s），当环坯的壁厚50<L<100mm时，t3=0.5*L～1*L（s）；对于黑色金属环件，t3=30～100s；

（6）浇注温度T1：取金属液相线温度以上80～100℃；

（7）液态模锻模具预热温度T2：对于有色金属环件，T2=150～250℃；对于黑色金属环件，T2=150～400℃。

进一步，所述液态模锻采用间接挤压铸造机，将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，预热至100～250 ℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层脱模剂，脱模剂涂层的厚度为10～20微米，然后继续预热液态模锻模具；

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件相差30～50 mm 时，轴向轧辊抬起；

进一步，所述余热等温轧制过程中控制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，轧制模具与坯料温差为±10℃；

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，并根据余热等温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，所述余热等温轧制的辗扩比≥1.4，控制轧制后的环坯的内孔偏心度≤3°；

进一步，所述液态模锻得到的近终截面环坯的芯孔直径≥330mm；

进一步，所述有色金属为铝合金、铜合金或镁合金。

本发明的有益效果为：

本发明的异截面大型环件的液态模锻轧制复合成型方法采用熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整的工艺流程，该方法首先熔炼金属溶液，随后采用液态模锻工艺得到近终截面环坯，并利用近终截面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，金属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，实现近终截面环坯的成形；

3）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；

4）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；

5）坯料无须反复加热，节能减排，实现绿色制造。

因此，本发明的异截面大型环件的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。

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

本实施例的异截面大型环件的液态模锻轧制复合成型方法，包括熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整，将金属在熔化炉内按成分配比熔炼后，利用液态模锻工艺得到近终截面环坯，经均匀化后的近终截面环坯降温至金属的始锻温度时，采用径轴复合轧环机进行余热等温轧制。本实施例的环件采用铝合金材料制成。

熔炼过程要求炉料干净，成分配比准确，并严格遵守操作规程，减小氧气卷入和夹杂物形成；在浇注过程中，注意排渣、力争金属液洁净，液态金属在保温炉（或熔炼炉）中保温过程要求铝合金成分稳定，不氧化，不增加夹杂物。

本实施例的液态模锻采用间接挤压铸造机，其工艺参数为：

（1）加压延时时间t1：加压延时时间是指金属溶液注入液态模锻模具的模膛至加压开始的时间间隔，加压延时时间t1的选用主要与合金熔点和特性有关。铝合金属于色金属，加压延时时间可为10～20s，本实施例的加压延时时间为10s。

（2）加压速度V1：是指加压开始时液压机行程的速度，加压速度过快，铝合金液易卷入气体且铝合金液易飞溅；过慢自由结壳太厚，会降低加压效果；加压速度V1可以为30～100 mm/s，本实施例的加压速度为40 mm/s。

（3）充型时间t2：是指液态金属流动填充满液态模锻模具型腔的时间，对大型环坯来说充型时间一般为1～6s，本实施例的充型时间t2=4s。

（4）比压值P1：是指液态金属在压力下冷却承受的单位压力。比压值的大小与与加压方式、环坯截面几何形状尺寸以及合金特性有关。对于质量性能要求较高的大型环坯来说，要求采用高限比压值，其比压值可为100～400MPa，本实施例的比压值为100 MPa。

（5）保压时间t3：升压阶段一旦结束，便进入稳定加压，直至加压结束（卸压）的时间间隔，即为保压阶段。铝合金属于有色金属，当环坯的壁厚L≤50mm时，t3=0.5*L（s），当环坯的壁厚L≥100mm时，t3=1*L～1.5*L（s），当环坯的壁厚50<L<100mm时，t3=0.5*L～1*L（s）。如当环坯的壁厚为30mm时，保压时间t3为15s，当环坯的壁厚为150mm时，保压时间t3可为150～225s，当环坯的壁厚为80mm时，保压时间为40～80s。本实施例的铝合金环坯的壁厚为50mm，保压时间为35s。

（6）浇注温度T1：是指将液态金属浇入液态模锻模具型腔的开始温度，一般采用低温浇注，可减少收缩，抑制缺陷，提高液态模锻模具寿命。浇注温度T1可为金属液相线温度以上80～100℃，本实施例的浇注温度T1为铝合金液相线温度以上80℃。

（7）液态模锻模具预热温度T2：是指开始浇注时的液态模锻模具温度，液态模锻模具温度既不可过高，也不能过低，其与金属的凝固温度、制件尺寸、形状有关。对于有色金属环件，液态模锻模具预热温度T2=150～250℃，本实施例的液态模锻模具预热温度T2=250℃。优选的，将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，预热至150 ℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层脱模剂，脱模剂涂层的厚度为10～20微米，然后继续预热液态模锻模具至250℃，能够方便液态模锻模具脱模。

经过如上过程的液态模锻后，可得到近终截面环坯，且液态模锻得到的近终截面环坯的芯孔直径≥330mm。

采用液态模锻制成近终截面环坯，使铝合金在压力下结晶、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：

a.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；

b.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；

c.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；

d.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。

余热等温轧制为近终截面环坯降温至始锻温度时，采用径轴复合轧环机进行轧制，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，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，本实施例的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件相差30 mm 时，轴向轧辊抬起。优选的，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，余热等温轧制余热等温轧制的辗扩比≥1.4，控制轧制后的环坯的内孔偏心度≤3°，本实施例的辗扩比为1.4，以保证最终环件具有明显的周向纤维，环坯的内孔偏心度为3°，以严格保证最终环坯形状精度和尺寸精度。优选的，余热等温轧制过程中，轧制模具与坯料温差为±10℃。

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，并根据余热等温轧制余热等温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。

本实施例的异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法采用熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整的工艺流程，该方法首先熔炼铝合金溶液，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，随后依据具体工况实施合理的热处理制度。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，铝合金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）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；

4）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；

5）坯料无须反复加热，节能减排，实现绿色制造。

第二实施例

异截面大型环件的液态模锻轧制复合成型方法，包括熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整，将金属在熔化炉内按成分配比熔炼后，利用液态模锻工艺得到近终截面环坯，经均匀化后的近终截面环坯降温至金属的始锻温度时，采用径轴复合轧环机进行余热等温轧制。。本实施例的环件采用镁合金制成，镁合金属于有色金属。

所述液态模锻的工艺参数为：

（1）加压延时时间t1=20s；

（2）加压速度V1=100 mm/s；

（3）充型时间t2=6s；

（4）比压值P1=140MPa；

（5）保压时间t3：本实施例的环坯壁厚为100mm，相应的，保压时间可为100～150s，本实施例的保压时间t3=120s。

（6）浇注温度T1取金属液相线温度以上80～100℃，本实施例的浇注温度T1为镁合金液相线温度以上100℃，本实施例取700℃。

（7）液态模锻模具预热温度T2 =250℃；优选的，将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，预热至100 ℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层脱模剂，脱模剂涂层的厚度为10～20微米，然后继续预热液态模锻模具至250℃，能够方便液态模锻模具脱模；

经液态模锻后得到近终截面环坯，且近终截面环坯的芯孔直径≥330mm。

采用液态模锻制成近终截面环坯，使镁合金在压力下结晶、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：

a.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；

b.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；

c.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；

d.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。

余热等温轧制为近终截面环坯降温至始锻温度时，采用径轴复合轧环机进行轧制，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，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件相差50 mm 时，轴向轧辊抬起。余热等温轧制过程中控制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，且余热等温轧制的辗扩比≥1.4，控制轧制后的环坯的内孔偏心度≤3°，本实施例的辗扩比为3，以保证最终环件具有明显的周向纤维，环坯的内孔偏心度为2°，以严格保证最终环坯几何精度和重量精度。优选的，余热等温轧制过程中，轧制模具与坯料温差为±10℃。

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，并根据余热等温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。

本实施例的异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法采用熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整的工艺流程，该方法首先熔炼镁合金溶液，随后采用液态模锻工艺得到近终截面环坯，均匀化处理后利用环坯凝固的余热直接辗扩成形，随后对环坯进行固溶时效的热处理。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，铝合金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）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；

4）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；

5）坯料无须反复加热，节能减排，实现绿色制造。

第三实施例

异截面大型环件的液态模锻轧制复合成型方法，包括熔炼→液态模锻→均匀化→余热轧制→热处理→精整，将金属在熔化炉内按成分配比熔炼后，利用液态模锻工艺得到近终截面环坯，经均匀化后的近终截面环坯降温至金属的始锻温度时，采用径轴复合轧环机进行余热等温轧制。本实施例的环件采用铜合金制成，铜合金属于有色金属。

所述液态模锻的工艺参数为：

（1）加压延时时间t1=15s；

（2）加压速度V1=80mm/s；

（3）充型时间t2=1s；

（4）比压值P1=250MPa；

（5）保压时间t3：本实施例的环坯壁厚为60mm，相应的，保压时间可为60-90s，本实施例的保压时间t3=90s。

（6）浇注温度T1取金属液相线温度以上80～100℃，本实施例的浇注温度T1为铜合金液相线温度以上90℃。

（7）液态模锻模具预热温度T2 =250℃；优选的，将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，预热至120 ℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层脱模剂，脱模剂涂层的厚度为10-20微米，然后继续预热液态模锻模具至250℃，能够方便液态模锻模具脱模；

经液态模锻后得到近终截面环坯，且近终截面环坯的芯孔直径≥330mm。

采用液态模锻制成近终截面环坯，使铜合金在压力下结晶、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：

a.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；

b.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；

c.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；

d.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。

余热轧制为近终截面环坯降温至始锻温度时，采用径轴复合轧环机进行轧制，余热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，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，当近终截面环坯的外径与成品环件相差30 mm 时，轴向轧辊抬起。余热轧制过程中控制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，且余热轧制的辗扩比≥1.4，控制轧制后的近终截面环坯的内孔偏心度≤3°，本实施例的辗扩比为2，近终截面环坯的内孔偏心度为1.5°。

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，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。

本实施例的异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法采用熔炼→液态模锻→余热轧制→热处理→精整的工艺流程，该方法首先熔炼铜合金溶液，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，铜合金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）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；

4）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；

5）坯料无须反复加热，节能减排，实现绿色制造。

第四实施例

异截面大型环件的液态模锻轧制复合成型方法，包括熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整，将金属在熔化炉内按成分配比熔炼后，利用液态模锻工艺得到近终截面环坯，经均匀化后的近终截面环坯降温至金属的始锻温度时，采用径轴复合轧环机进行余热等温轧制。本实施例的环件采用不锈钢制成，不锈钢属于黑色金属。

所述液态模锻的工艺参数为：

（1）加压延时时间t1，液态金属注入模膛后立即加压，即只要能够满足生产节拍，加压延时时间t1越短越好；

（2）加压速度V1=30mm/s；

（3）充型时间t2=4s；

（4）比压值P1=200MPa；

（5）保压时间t3：对于黑色金属环件，t3=30～100s，本实施例的保压时间t3=60s。

（6）浇注温度T1取金属液相线温度以上80～100℃，本实施例的浇注温度T1为不锈钢液相线温度以上85℃。

（7）液态模锻模具预热温度T2 =150~400℃，本实施例的液态模锻模具预热温度T2=400℃；优选的，将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，预热至200 ℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层脱模剂，脱模剂涂层的厚度为10～20微米，然后继续预热液态模锻模具至400℃，能够方便液态模锻模具脱模；

经液态模锻后得到近终截面环坯，且近终截面环坯的芯孔直径≥330mm。

采用液态模锻制成近终截面环坯，使不锈钢溶液在压力下结晶、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：

a.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；

b.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；

c.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；

d.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。

余热等温轧制为近终截面环坯降温至始锻温度时，采用径轴复合轧环机进行轧制，余热等温轧制控制轧制模具与坯料温差为±10℃，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，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件相差40 mm 时，轴向轧辊抬起。余热等温轧制过程中控制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，且余热等温轧制的辗扩比≥1.4，控制轧制后的环坯的内孔偏心度≤3°，本实施例的辗扩比为1.5，环坯的内孔偏心度为2.5°。

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，并根据余热等温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。

本实施例的异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法采用熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整的工艺流程，该方法首先熔炼合金溶液，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，不锈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）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；

4）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；

5）坯料无须反复加热，节能减排，实现绿色制造。

第五实施例

异截面大型环件的液态模锻轧制复合成型方法，包括熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整，将金属在熔化炉内按成分配比熔炼后，利用液态模锻工艺得到近终截面环坯，经均匀化后的近终截面环坯降温至金属的始锻温度时，采用径轴复合轧环机进行余热等温轧制。本实施例的环件采用液态模锻模具钢制成，液态模锻模具钢属于黑色金属。

所述液态模锻的工艺参数为：

（1）加压延时时间t1，液态金属注入模膛后立即加压，即只要能够满足生产节拍，加压延时时间t1越短越好；

（2）加压速度V1=60 mm/s；

（3）充型时间t2=4s；

（4）比压值P1=200 MPa；

（5）保压时间t3：对于黑色金属环件，t3=30～100s，本实施例的保压时间t3=90s。

（6）浇注温度T1取金属液相线温度以上80～100℃，本实施例的浇注温度T1为模具钢液相线温度以上90℃。

（7）液态模锻模具预热温度T2 =150~400℃，本实施例的液态模锻模具预热温度T2=350℃；优选的，将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，预热至200 ℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层脱模剂，脱模剂涂层的厚度为10～20微米，然后继续预热液态模锻模具至350℃，能够方便液态模锻模具脱模；

经液态模锻后得到近终截面环坯，且近终截面环坯的芯孔直径≥330mm。

采用液态模锻制成近终截面环坯，使液态模锻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：

a.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；

b.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；

c.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；

d.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。

余热等温轧制为近终截面环坯降温至始锻温度时，采用径轴复合轧环机进行轧制，余热等温轧制控制轧制模具与坯料温差为±10℃，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，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件相差45 mm 时，轴向轧辊抬起。余热等温轧制过程中控制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，且余热等温轧制的辗扩比≥1.4，控制轧制后的环坯的内孔偏心度≤3°，本实施例的辗扩比为1.5，环坯的内孔偏心度为2.5°。

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，并根据余热等温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。

本实施例的异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法采用熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整的工艺流程，该方法首先熔炼合金溶液，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，液态模锻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）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；

4）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；

5）坯料无须反复加热，节能减排，实现绿色制造。

注：采用其他材料的黑色金属制作环件与第四实施例和第五实施例的工艺方法相当，不再一一累述。

第六实施例

异截面大型环件的液态模锻轧制复合成型方法，包括熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整，将金属在熔化炉内按成分配比熔炼后，利用液态模锻工艺得到近终截面环坯，经均匀化后的近终截面环坯降温至金属的始锻温度时，采用径轴复合轧环机进行余热等温轧制。本实施例的环件采用镍基高温合金制成，镍基高温合金属于黑色金属。

所述液态模锻的工艺参数为：

（1）加压延时时间t1，液态金属注入模膛后立即加压，即只要能够满足生产节拍，加压延时时间t1越短越好；

（2）加压速度V1=38mm/s；

（3）充型时间t2=4s；

（4）比压值P1=370 MPa；

（5）保压时间t3：对于黑色金属环件，t3=30～100s，本实施例的保压时间t3=60s。

（6）浇注温度T1取金属液相线温度以上80～100℃，本实施例的浇注温度T1为1380℃。

（7）液态模锻模具预热温度T2 =150~400℃，本实施例的液态模锻模具预热温度T2=380℃；优选的，将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，预热至250 ℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层脱模剂，脱模剂涂层的厚度为10～20微米，然后继续预热液态模锻模具至380℃，能够方便液态模锻模具脱模；

经液态模锻后得到近终截面环坯，且近终截面环坯的芯孔直径≥330mm。

采用液态模锻制成近终截面环坯，使液态模锻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：

a.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；

b.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；

c.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；

d.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。

余热等温轧制为近终截面环坯降温至始锻温度时，采用径轴复合轧环机进行轧制，余热等温轧制控制轧制模具与坯料温差为±10℃，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，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件相差35 mm 时，轴向轧辊抬起。余热等温轧制过程中控制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，且余热等温轧制的辗扩比≥1.4，控制轧制后的环坯的内孔偏心度≤3°，本实施例的辗扩比为1.5，环坯的内孔偏心度为2.5°。

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，并根据余热等温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。

本实施例的异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法采用熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整的工艺流程，该方法首先熔炼合金溶液，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，液态模锻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）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；

4）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；

5）坯料无须反复加热，节能减排，实现绿色制造。

注：采用其他材料的黑色金属制作环件与第四实施例和第五实施例的工艺方法相当，不再一一累述。

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 (9)

1.一种异截面大型环件的液态模锻轧制复合成型方法，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；将金属在熔化炉内按成分配比熔炼后，利用液态模锻工艺得到近终截面环坯，经均匀化后的近终截面环坯降温至金属的始锻温度时，采用径轴复合轧环机进行余热等温轧制；

所述液态模锻的工艺参数为：

（1）加压延时时间t1：对于有色金属环件，加压延时时间为10～20s；对于黑色金属环件，液态金属注入模膛后立即加压；

（2）加压速度V1： 30～100 mm/s；

（3）充型时间t2：1～6s；

（4）比压值P1：100～400MPa；

（5）保压时间t3：对于有色金属环件，当环坯的壁厚L≤50mm时，t3=0.5*L，当环坯的壁厚L≥100mm时，t3=1*L～1.5*L，当环坯的壁厚50<L<100mm时，t3=0.5*L～1*L；对于黑色金属环件，t3=30～100；所述t3单位为s；

（6）浇注温度T1：取金属液相线温度以上80～100℃；

（7）液态模锻模具预热温度T2：对于有色金属环件，T2=150～250℃；对于黑色金属环件，T2=150～400℃；

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。

2.根据权利要求1所述的异截面大型环件的液态模锻轧制复合成型方法，其特征在于：所述液态模锻采用间接挤压铸造机，将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，预热至100～250 ℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层脱模剂，脱模剂涂层的厚度为10～20微米，然后继续预热液态模锻模具。

3.根据权利要求1所述的异截面大型环件的液态模锻轧制复合成型方法，其特征在于：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=（0.5～0.6）V_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件相差30～50 mm 时，轴向轧辊抬起。

4.根据权利要求3所述的异截面大型环件的液态模锻轧制复合成型方法，其特征在于：所述余热等温轧制过程中控制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。

5.根据权利要求1所述的异截面大型环件的液态模锻轧制复合成型方法，其特征在于：轧制模具与坯料温差为±10℃。

6.根据权利要求1所述的异截面大型环件的液态模锻轧制复合成型方法，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，并根据余热等温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。

7.根据权利要求1所述的异截面大型环件的液态模锻轧制复合成型方法，其特征在于：所述余热等温轧制的辗扩比≥1.4，控制轧制后的环坯的内孔偏心度≤3°。

8.根据权利要求1所述的异截面大型环件的液态模锻轧制复合成型方法，其特征在于：所述液态模锻得到的近终截面环坯的芯孔直径≥330mm。

9.根据权利要求1-5任一项所述的异截面大型环件的液态模锻轧制复合成型方法，其特征在于：所述有色金属为铝合金或铜合金。