CN103008496B - 一种无磁钢厚壁环形锻件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无磁钢厚壁环形锻件的制造方法，包括以下步骤：步骤一、先对环形无磁钢锻件第一次由内向外冷扩并保留足够的冷扩变形量；步骤二、进行外侧冷压；步骤三、第二次冷扩变形强化至规定尺寸；步骤四、进行热处理。本发明所述的第二次冷扩变形将会使冷压变形后的环形无磁钢锻件金属晶粒所产生的滑移变形和位错得到重新分布，其环形无磁钢锻件内部的残余应力局部峰值会降下来，再对残余应力局部峰值再进行消除应力热处理工艺，能大大地降低了锻件内部组织的微观残余应力，而环形无磁钢锻件的强度则不会因为多次热处理受到太大的影响；且方法简单、操作方便。

Description

一种无磁钢厚壁环形锻件的制造方法

技术领域

本发明涉及一种汽轮发电机组或核电站用的锻件，特别涉及一种无磁钢厚壁环形锻件的制造方法。

背景技术

护环锻件是汽轮发电机组的主要部件之一，套装在转子两端部，它对转子端部绕组起着固定、保护、防止变形、位移和偏心作用。护环锻件承受转子绕组端部及自身的巨大离心力、弯曲应力及热套应力等，同时还须防止转子端部因漏磁造成损耗而影响电机效率。它是汽轮发电机组承受应力最高的部件。为了保证机组的安全运转，要求护环锻件要有足够高的强度和塑性指标、均匀的力学性能和最小的残余应力，以及具有低磁性或无磁性。具备以上条件的护环锻件必须用奥氏体无磁钢材料来制造，由于无相变奥氏体钢，不能通过传统的材料热处理方式来提高其强度，只能通过材料的冷变形强化来达到目的，冷变形强化是当护环这种环形无磁钢锻件的外形被拉长或压扁时，其内部晶粒的形状也随之被拉长或压扁，导致晶格发生畸变，使金属进一步滑移的阻力增大，因此金属的强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降，产生所谓“变形强化”现象。

现有护环锻件的冷变形强化，一般是采用高压由内向外进行“胀形”强化，内壁变形量较外壁大，由于其外圆是局部受力变形，造成了锻件内部会产生一定的残余应力，该残余应力会降低环形无磁钢锻件的实际强度、降低疲劳极限，造成应力腐蚀和脆性断裂，由于残余应力的松弛，还使零件产生变形，大大的影响了构件的尺寸精度，局部残余应力有时可达到很大的数值，甚至可能造成显微裂纹并导致锻件的破坏，因此降低和消除环形无磁钢锻件的残余应力十分必要。目前现有方法是在环形无磁钢锻件由内向外变形膨胀挤压后直接采用后期“消除应力热处理”工艺进行热处理，即将环形无磁钢锻件缓慢加热到较低温度（例如300～450℃），保温一段时间，使金属内部发生弛豫，然后缓冷下来。由于无磁钢锻件由内向外冷变形后残余应力较大，直接用热处理的方法只能去除部分残余应力，并不能将内应力完全去除，常常不能完全满足要求，且如果热处理次数过多、时间过长，即使残余应力值满足了要求，但是却造成了环形无磁钢锻件的强度不能满足使用要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的环形无磁钢锻件由内向外变形膨胀挤压后直接采用热处理工艺的制造方法容易导致环形无磁钢锻件局部残余应力还较高的上述不足，提供一种无磁钢厚壁环形锻件的制造方法,该制造方法加工出来的无磁钢厚壁环形锻件在保证强度的基础上，在很大程度上能降低锻件内部的残余应力。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种无磁钢厚壁环形锻件的制造方法，包括以下步骤：

步骤一、第一次由内向外冷扩，将所述环形无磁钢锻件进行第一次由内向外冷扩，控制所述环形无磁钢锻件内孔冷扩变形量，并保留一定的变形余量；

步骤二、外侧冷压，将所述环形无磁钢锻件进行外侧冷压，控制所述环形无磁钢锻件外径冷压变形量达到工艺规定尺寸要求；

步骤三、第二次由内向外冷扩，将所述环形无磁钢锻件进行第二次由内向外冷扩，使环形无磁钢锻件内孔变形余量冷扩变形至工艺规定尺寸要求；

步骤四、热处理，将冷变形强化过后的所述环形无磁钢锻件进行热处理。

优选地，所述环形无磁钢锻件进行步骤三中所述第二次由内向外冷扩后，若环形无磁钢锻件的外径不符合要求时，可以再次对环形无磁钢锻件进行所述外侧冷压，或者通过切割的方式，使环形无磁钢锻件满足工艺规定尺寸。

优选地，所述环形无磁钢锻件进行所述步骤一第一次由内向外冷扩和所述步骤三第二次由内向外冷扩时，将环形无磁钢锻件竖直放置在下冲模和上冲模之间，所述环形无磁钢锻件内孔、上冲模、下冲模相互配合，且所述环形无磁钢锻件内孔、上冲模、下冲模围成一个密封空腔，所述空腔内装有超高压液体，所述上冲模承载可调下压量的压机冲压。

环形无磁钢锻件进行的两次从内向外冷扩时，在环形无磁钢锻件内孔、上冲模、下冲模相互配合形成密封的空腔内设有超高压液体，在压机强大压力的作用下，上冲模、下冲模相向挤压环形无磁钢锻件内孔，空腔体积将会变小，进而空腔内的超高压液体体积也会相应变小而产生超高压，该超高压液体产生的超高压会反向挤压环形无磁钢锻件内孔，从而促使环形无磁钢锻件内孔直径向外变大，由于整个环形无磁钢锻件体积是一定的，则其相应的高度会变小。通过控制压机的压下量，可以实现控制环形无磁钢锻件内孔直径向外扩大的变形量，即可以实现环形无磁钢锻件第一次内孔冷扩变形并保留一定余量，第二次内孔冷扩至规定工艺尺寸。

优选的，所述环形无磁钢锻件进行所述步骤二外侧冷压时，将所述环形无磁钢锻件以卧放方式放置在上压模、下压模之间，且其外侧与所述上压模、下压模相互配合，所述环形无磁钢锻件内孔插有与之相互配合的芯棒，所述上压模承载可调下压量的压机冲压。

在环形无磁钢锻件进行冷压时，为了避免破坏已经冷扩到规定工艺尺寸的环形无磁钢锻件内孔，在环形无磁钢锻件内孔里适配有一根芯棒，待环形无磁钢锻件外径冷压至规定工艺尺寸时，再将内孔的芯棒拆除即可；另外为了环形无磁钢锻件外形冷压的均匀，通过压机的压下量来控制环形无磁钢锻件被冷压的变形量，并在每冷压一段时间之后，转动环形无磁钢锻件再进行冷压，使其外形的变形量保持均匀。

优选地，与环形无磁钢锻件内孔相互配合的所述上冲模、下冲模均为圆台形，所述上冲模、下冲模的圆台小端分别嵌入所述环形无磁钢锻件内孔。

圆台形状的上冲模、下冲模不仅能够方便压机将其压入环形无磁钢锻件内孔，提高环形无磁钢锻件空腔的密闭性，而且便于冷扩完毕、压机压力卸压后上冲模、下冲模从环形无磁钢锻件上拆卸下来。

优选地，所述超高压液体介质为水。

超高压液体选择普通的水，水对环形无磁钢锻件产生的最大压力可以达到6000-7000个大气压，且水在冷扩过程中不会损伤或腐蚀环形无磁钢锻件，成本也比较低廉。

优选地，与环形无磁钢锻件外侧相互配合的所述上压模表面、下压模表面为内凹弧面。

优选地，所述上压模、下压模之间设有承载弹簧相互连接。

上压模表面、下压模表面设计为内凹弧面，增大了上压模、下压模与环形无磁钢锻件外侧的接触面积，环形无磁钢锻件夹持的更为平稳，且上压模、下压模之间设置的承载弹簧可以使上压模、下压模在承受压机下压时能保持相互平行相向稳定的挤压环形无磁钢锻件，利于环形无磁钢锻件冷压时变形更为均匀。

优选地，所述环形无磁钢锻件内孔若为异型孔，如阶梯孔，则先将环形无磁钢锻件内孔加工成圆孔并留有一定余量，再进行所述从内向外冷扩以及所述外侧冷压，最后将所述环形无磁钢锻件圆孔加工成所需异型孔。

对于环形无磁钢锻件内孔为异型孔，如果对环形无磁钢锻件直接进行由内向外冷扩和外侧冷压，则冷变形之后的环形无磁钢锻件由于壁厚不相同，上冲模、下冲模夹持冷扩时容易造成环形无磁钢锻件变形不均匀，不能满足所需工艺尺寸，且内外侧壁厚薄不同位置的力学性能相差也会很大；故先将环形无磁钢锻件内孔加工成圆形通孔并留有一定余量，再进行所述从内向外冷扩以及所述外侧冷压，最后将所述环形无磁钢锻件圆孔加工切除多于余量成所需异型孔，其切除圆孔余量并不会影响其所需强度、硬度等力学性能要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明所述一种无磁钢厚壁环形锻件的制造方法，在冷变形强化阶段先实施环形无磁钢锻件第一次由内向外冷扩，保留足够的冷扩变形量，之后进行外侧冷压，然后再实施第二次冷扩变形强化，使其达到规定工艺尺寸；其中第二次冷扩变形强化将会使冷压变形强化后环形无磁钢锻件金属晶粒所产生的滑移变形和位错得到重新分布，环形无磁钢锻件内部的残余应力局部峰值将会降下来，再进行一次消除应力热处理工艺进行热处理，这样就可大大地降低了锻件内部组织的微观残余应力，而环形无磁钢锻件的强度则不会因为多次热处理受到太大的影响；且制造方法简单、操作方便。

附图说明：

图1为本发明所述一种环形无磁钢厚壁环形锻件的制造方法步骤示意图。

图2为本发明所述环形无磁钢锻件内孔第一次和第二次由内向外冷扩结构示意图，其中环形无磁钢锻件为剖视图。

图3为本发明所述环形无磁钢锻件外侧冷压时结构示意图。

图4为本发明所述环形无磁钢锻件在通过冷变形强化之后加工为所需异型孔后的剖视图。

图中标记：

1、环形无磁钢锻件，201、上冲模，202、下冲模，3、超高压液体，401、上压模，402、下压模，5、承载弹簧，6、芯棒，7、阶梯孔。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

如图1所示，一种无磁钢厚壁环形锻件的制造方法，包括以下步骤：

步骤一S01、第一次由内向外冷扩，将所述环形无磁钢锻件1进行第一次由内向外冷扩，控制所述环形无磁钢锻件1内孔冷扩变形量，并保留一定的变形余量；

步骤二S02、外侧冷压，将所述环形无磁钢锻件1进行外侧冷压，控制所述环形无磁钢锻件1外径冷压变形量达到工艺规定尺寸要求；

步骤三S03、第二次由内向外冷扩，将所述环形无磁钢锻件1进行第二次由内向外冷扩，使环形无磁钢锻件1内孔变形余量冷扩变形至工艺规定尺寸要求；

步骤四S04、热处理，将冷变形强化过后的所述环形无磁钢锻件1进行热处理。

其中，上述环形无磁钢锻件1进行步骤三S03中第二次由内向外冷扩后，若环形无磁钢锻件1的外径不符合要求时，可以再次对环形无磁钢锻件1进行所述外侧冷压，或者通过切割的方式，使环形无磁钢锻件1满足工艺规定尺寸。

环形无磁钢锻件1在进行上述步骤一S01第一次由内向外冷扩和步骤三S03第二次由内向外冷扩时，将环形无磁钢锻件1竖直放置在下冲模202和上冲模201之间，环形无磁钢锻件1内孔、上冲模201、下冲模202相互配合形成密封的空腔内设有超高压液体3，在压机强大压力的作用下，上冲模201、下冲模202相向挤压环形无磁钢锻件1内孔，空腔体积将会变小，进而空腔内的超高压液体3体积也会相应变小而产生超高压，该超高压液体3产生的超高压会反向挤压环形无磁钢锻件1内孔，从而促使环形无磁钢锻件1内孔直径向外变大，由于整个环形无磁钢锻件1体积是一定的，则其相应的高度会变小。通过控制压机的压下量，可以实现控制环形无磁钢锻件1内孔直径向外扩大的变形量，即可以实现环形无磁钢锻件1第一次内孔冷扩变形并保留一定余量，第二次内孔冷扩至规定工艺尺寸。

环形无磁钢锻件1在进行所述步骤二S02外侧冷压时，将环形无磁钢锻件1以卧放方式放置在上压模401、下压模402之间，且其外侧与所述上压模401、下压模402相互配合，为了避免破坏已经冷扩到规定工艺尺寸的环形无磁钢锻件1内孔，在环形无磁钢锻件1内孔里适配有一根芯棒6，待环形无磁钢锻件1外径冷压至规定工艺尺寸时，再将内孔的芯棒6拆除即可；另外为了环形无磁钢锻件1外形冷压的均匀，通过压机的压下量来控制环形无磁钢锻件1被冷压的变形量，并在每冷压一段时间之后，转动环形无磁钢锻件1再进行冷压，使其外形的变形量保持均匀。

本发明中与环形无磁钢锻件内孔相互配合的上冲模201、下冲模202均为圆台形，如图2所示，不仅能够方便压机将其压入环形无磁钢锻件1内孔，提高环形无磁钢锻件1空腔的密闭性，而且便于冷扩完毕、压机压力卸压后上冲模201、下冲模202从环形无磁钢锻件1上拆卸下来。超高压液体3选择普通的水，因为水对环形无磁钢锻件1产生的最大压力可以达到6000-7000个大气压，且水在冷扩过程中不会损伤或腐蚀环形无磁钢锻件1，成本也比较低廉。

同时，如图3所示，上压模401表面、下压模402表面设计为内凹弧面，增大了上压模401、下压模402与环形无磁钢锻件1外侧的接触面积，环形无磁钢锻件1夹持的更为平稳，且上压模401、下压模402之间设置的承载弹簧5可以使上压模401、下压模402在承受压机下压时能保持相互平行相向稳定的挤压环形无磁钢锻件1，利于环形无磁钢锻件1冷压时变形更为均匀。

特别的，当所需要的环形无磁钢锻件1内孔若为异型孔，比如阶梯孔7，如图4所示，若对环形无磁钢锻件1直接进行由内向外冷扩和外侧冷压，则冷变形之后的环形无磁钢锻件1由于壁厚不相同，上冲模201、下冲模202夹持冷扩时容易造成环形无磁钢锻件1变形不均匀，不能满足所需工艺尺寸，且内外侧壁厚薄不同位置的力学性能相差也会很大；故先将环形无磁钢锻件1内孔加工成圆形通孔并留有一定余量，再进行所述从内向外冷扩以及所述外侧冷压，最后将所述环形无磁钢锻件1圆孔加工切除多于余量成所需异型孔，其切除圆孔余量并不会影响其所需强度、硬度等力学性能要求。

在本实施例实验的的环形无磁钢锻件，所需残余应力的绝对值不得大于135MPa，采用现有技术将环形无磁钢锻件1冷扩至规定尺寸后再外侧冷压，其局部残余应力峰值有300MPa，最后在300-450℃进行多次热处理后该锻件的局部残余应力峰值还有150MPa，仍不能满足所需残余应力值，且多次热处理之后该锻件的强度有所降低，甚至不能满足要求；而采用本发明所述的先对环形无磁钢锻件1第一次由内向外冷扩并保留足够的冷扩变形量，之后进行外侧冷压，然后再实施第二次冷扩变形强化至规定尺寸，其局部残余应力峰值小于150MPa，最后在350-390℃下进行一次热处理，局部残余应力峰值小于90MPa，完全能达到锻件所需残余应力要求，且一次热处理对其强度影响不大，加上热处理的温度也有所降低，节约了成本。

本发明通过相比现有技术冷扩、冷压之后直接就热处理而言，这种方法是在第二次冷扩变形强化将会使冷压变形强化后的环形无磁钢锻件1金属晶粒所产生的滑移变形和位错得到重新分布，其环形无磁钢锻件1内部的残余应力局部峰值将会降下来，对残余应力局部峰值再进行消除应力热处理工艺，能大大地降低了环形无磁钢锻件1内部组织的微观残余应力，而环形无磁钢锻件1的强度则不会因为热处理受到太大的影响；且方法简单、操作方便。

Claims (9)

1.一种无磁钢厚壁环形锻件的制造方法，包括：

步骤一、第一次由内向外冷扩，将环形无磁钢锻件(1)进行第一次由内向外冷扩，控制所述环形无磁钢锻件(1)内孔冷扩变形量，并保留一定的变形余量；

其特征在于，还包括：

步骤二、外侧冷压，将所述环形无磁钢锻件(1)卧放，沿所述环形无磁钢锻件(1)的周向进行外侧冷压，在冷压过程中，所述环形无磁钢锻件(1)能够转动，控制所述环形无磁钢锻件(1)外径冷压变形量达到工艺规定尺寸要求；

步骤三、第二次由内向外冷扩，将所述环形无磁钢锻件(1)进行第二次由内向外冷扩，使环形无磁钢锻件(1)内孔变形余量冷扩变形至工艺规定尺寸要求；

步骤四、热处理，将冷变形强化过后的所述环形无磁钢锻件(1)进行热处理。

2.根据权利要求1所述的一种无磁钢厚壁环形锻件的制造方法，其特征在于，所述环形无磁钢锻件(1)进行步骤三中所述第二次由内向外冷扩后，若环形无磁钢锻件(1)的外径不符合要求时，再次对环形无磁钢锻件(1)进行所述外侧冷压，或者通过切割的方式，使环形无磁钢锻件(1)满足工艺规定尺寸。

3.根据权利要求1所述的一种无磁钢厚壁环形锻件的制造方法，其特征在于，所述环形无磁钢锻件(1)进行所述步骤一第一次由内向外冷扩和所述步骤三第二次由内向外冷扩时，将环形无磁钢锻件(1)竖直放置在下冲模(202)和上冲模(201)之间，所述环形无磁钢锻件(1)内孔、上冲模(201)、下冲模(202)相互配合，且所述环形无磁钢锻件(1)内孔、上冲模(201)、下冲模(202)围成一个密封空腔，所述空腔内装有超高压液体(3)，所述上冲模(201)承载可调下压量的压机冲压。

4.根据权利要求1所述的一种无磁钢厚壁环形锻件的制造方法，其特征在于，所述环形无磁钢锻件(1)进行所述步骤二外侧冷压时，将所述环形无磁钢锻件(1)以卧放方式放置在上压模(401)、下压模(402)之间，且其外侧与所述上压模(401)、下压模(402)相互配合，所述环形无磁钢锻件(1)内孔插有与之相互配合的芯棒(6)，所述上压模(401)承载可调下压量的压机冲压。

5.根据权利要求3所述的一种无磁钢厚壁环形锻件的制造方法，其特征在于，与环形无磁钢锻件(1)内孔相互配合的所述上冲模(201)、下冲模(202)均为圆台形，所述上冲模(201)、下冲模(202)的圆台小端分别嵌入所述环形无磁钢锻件(1)内孔。

6.根据权利要求3所述的一种无磁钢厚壁环形锻件的制造方法，其特征在于，所述超高压液体(3)介质为水。

7.根据权利要求4所述的一种无磁钢厚壁环形锻件的制造方法，其特征在于，与环形无磁钢锻件(1)外侧相互配合的所述上压模(401)表面、下压模(402)表面为内凹弧面。

8.根据权利要求7所述的一种无磁钢厚壁环形锻件的制造方法，其特征在于，所述上压模(401)、下压模(402)之间设有承载弹簧(5)相互连接。

9.根据权利要求1-8任一所述的一种无磁钢厚壁环形锻件的制造方法，其特征在于，所述环形无磁钢锻件(1)内孔若为阶梯孔(7)，则先将环形无磁钢锻件(1)内孔加工成圆孔并留有一定余量，再进行所述第一次由内向外冷扩、所述第二次由内向外冷扩以及所述外侧冷压，最后将所述环形无磁钢锻件(1)圆孔加工成所需阶梯孔(7)。