CN103752746A - 一种热力模拟试验机用压头的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热力模拟试验机用压头的制造方法，将坯料加工成两端细中间粗的橄榄状，将材料断面收缩率较大且最大应力值较低的温度确定为坯料加热或变形温度，在橄榄状坯料最粗的中间位置焊接热电偶后，将其置于具有加热和热压变形功能的两个砧头之间，并在坯料与砧头之间加上垫片，在两砧头间加电压将坯料加热到变形温度后，对坯料进行2-7道次的压缩变形，且每道次变形量均大于上一次的变形量，将垫片与坯料压合成为一体。本发明可降低坯料压缩时的变形抗力，减少坯料缺陷，提高压头强度，延长压头使用寿命，避免坯料与砧头之间的粘连，简化加工工艺，缩短生产周期，降低制造成本。

Description

一种热力模拟试验机用压头的制造方法

技术领域

本发明属于检试验设备领域，特别涉及一种热力模拟试验机用高强度压头的制造方法。

背景技术

热力模拟试验机是将模拟试样当成电阻直接通电加热，与模拟试样接触的热力模拟试验机的压头可以视为两个加热电极，模拟试样作为加热电阻。由于模拟试样与作为加热电极的压头直接接触，在试样被加热的同时压头也被加热到一定的温度。因此，要求压头具有良好的导电性，高温强度、硬度以及抗氧化等性能。目前，热力模拟试验机的压头材质多采用以钨为基底的合金系材料，如采用以碳化钨为主的材料制成的压头。

碳化钨材料制成的压头虽然具有较高的强度和硬度，但其塑性差，导致其可加工性能差，因此用该材料制造压头，往往采用模铸的方法，制造成本高，且制造工艺也较复杂。申请号93111681.3公开了一种“电热镦粗砧块的制造方法”，采用粉末冶金的方法用于电热镦粗工艺的关键配件—砧块。该方法虽然可以制造出具备上述性能的砧块，但对材料的合金成分及含量有较严格的控制，原料状态均为粉末状，其制造工艺较复杂，生产周期也较长。无论是采用上述的模铸法或粉末冶金方法制造的压头或砧块，都存在生产成本高，生产工艺复杂的缺点。此外，通过现有技术制造的压头或砧块为单一的合金结构整体，在高温状态或高温变形条件下易于与模拟试样发生粘连，大大缩短了其使用寿命，同时也延误了生产周期。

发明内容

本发明目的在于针对已有的压头制造方法存在的问题，提供一种可简化加工工艺，缩短生产周期，防止坯料与砧头之间的粘连，提高压头使用寿命的热力模拟试验机用高强度压头的制造方法。

为此，本发明所采取的解决方案是：

一种热力模拟试验机用压头的制造方法，其特征在于，具体方法和步骤为：

1、将制造压头用坯料加工成两端细中间粗的橄榄状，且其横截面均为圆形，降低坯料压缩时的变形抗力，并使坯料在电加热过程中产生一定的温度梯度。具体温度分布可由如下公式描述：

Q=I²Rt-Q_s=Cm△T   （1）

其中：Q_s为热量损失，I为通过坯料的电流强度，R为电阻，t为加热时间，C为比热，△T为坯料由室温升高的温度值。

若坯料的电阻率为ρ₁，长度为l，横截面积为s，密度为ρ₂，则由公式（1）可得：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{I^2{\mathrm{\ρ}}_{1}t}{C{\mathrm{\ρ}}_2{s}^2}-\frac{Q_s}{C{\mathrm{\ρ}}_2\mathrm{ls}}---\left(2\right)$

式（2）中等式右侧的第一部分是使坯料温度升高的部分，且比第二部分的数值要大很多，是主导因素；因此，坯料的温升与其截面积的平方有着相反的变化关系，即，面积小温升快，面积大温升反而慢。

2、确定坯料的变形温度：根据坯料材料在不同温度下拉伸断裂后的断面收缩率以及在拉伸过程中的最大应力值测试结果，确定坯料的变形温度，将材料断面收缩率较大且最大应力值较低的温度确定为坯料加热温度，使坯料既易于加工，又不会产生裂纹。

3、在橄榄状坯料最粗的中间位置焊接热电偶，通过热电偶对坯料进行控温与测温。

4、将焊接热电偶的坯料置于具有加热和热压变形功能的两个砧头之间，并在坯料与砧头之间加上垫片，防止坯料与砧头之间的粘连。

5、在两砧头间加电压，对步骤（4）中的坯料进行加热，加热到步骤（2）中确定的变形温度后，对坯料进行2-7道次的压缩变形，且每道次变形量均大于上一次的变形量；坯料在每道次压缩后，坯料中间部分横断面面积不断缩小，变形时的翻平效应使坯料两端的横断面面积逐次增大，坯料轴向的温度梯度降低，整个坯料的温度趋于热电偶处的温度，坯料具有较好的塑性和较低的强度，最终在适宜的温度和压力下，将垫片与坯料压合成为一体，制得热力模拟试验机用压头。

所述坯料材质为FeCrNi系高温高强钢。

所述坯料加热温度为1000℃。

本发明的有益效果为：

由于本发明将坯料形状设计成两端细中间粗的橄榄状，使其在加热过程中在轴向上产生温度梯度，降低了坯料压缩时的变形抗力，使坯料产生较大的压缩比，可极大减少坯料缺陷，使坯料的内部组织更加致密，提高了所制造压头的强度，延长压头的使用寿命。采用在坯料与砧头之间加垫片方式，可避免坯料与砧头之间的粘连。根据坯料材料在不同温度下拉伸断裂后的断面收缩率以及在拉伸过程中的最大应力值，确定坯料的变形温度，使坯料在塑性好且强度低的条件下变形，既可减小裂纹产生的倾向，又能降低加工强度，从而简化加工工艺，缩短生产周期，降低制造成本。

附图说明

图1是实施例坯料形状与尺寸图；

图2是实施例坯料轴向温度分布图。

具体实施方式

实施例：

1、坯料选用材质为FeCrNi系高温高强钢。将制造压头用坯料加工成两端细中间粗的橄榄状，且其横截面均为圆形，细的一端半径为4mm，中间有一段长度3mm的较粗部分，其半径为5mm，整个长度为20mm，具体形状和尺寸如图1所示。该形状设计使坯料在以后的电加热过程中产生一定的温度梯度，具体温度分布公式为：

Q=I²Rt-Q_s=Cm△T   （1）

其中：Q_s为热量损失，I为通过坯料的电流强度，R为电阻，t为加热时间，C为比热，△T为坯料由室温升高的温度值；

若坯料的电阻率为ρ₁，长度为l，横截面积为s，密度为ρ₂，则由公式（1）可得：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{I^2{\mathrm{\ρ}}_{1}t}{C{\mathrm{\ρ}}_2{s}^2}-\frac{Q_s}{C{\mathrm{\ρ}}_2\mathrm{ls}}---\left(2\right)$

式（2）中等式右侧的第一部分是使坯料温度升高的部分，且比第二部分的数值要大很多，是主导因素；因此，坯料的温升与其截面积的平方有着相反的变化关系，即，面积小温升快，面积大温升反而慢。

根据公式（1）和（2），可以计算得到坯料在加热时轴向的温度分布，分布曲线如图2所示。

2、确定坯料的变形温度。测试坯料在不同温度下拉伸断裂后的断面收缩率以及在拉伸过程中的最大应力值（强度的度量参数）如表1所示。

表1坯料在不同温度下断裂后的断面收缩率及最大应力值测试结果

温度（℃）	900	950	1000	1050	1100	1200	1250
								应力MPa	115	105	85	80	76	60	55
断面收缩率%	65	79	87	85	79	72	70

综合考虑表1中两个参数，1000℃时的断面收缩率大且强度值相对较低，将该温度确定为坯料的变形温度，坯料在该温度下易于加工，同时又不易产生裂纹。

3、在步骤1中的坯料最粗的中间位置焊接热电偶，以便通过热电偶实现坯料在后步加工过程的控温与测温。

4、将步骤3中焊接热电偶的坯料置于可对其进行加热和压变形的两砧头之间，在坯料与两压头之间加上垫片，垫片的材质选用金属钽，并将压紧坯料的压力调整至200公斤，防止坯料与砧头之间的粘连。

5、对坯料进行加热，压缩变形，以获得高强度压头。在两砧头之间加电压，对步骤4中的坯料进行加热，当将坯料加热至1000℃后保温20s，然后对坯料加载变形，坯料的变形共分三个道次，各道次的压下量分配如表2所示。

表2各道次压下量分配

道次	1	2	3
				压下量mm	3	5	7

由于坯料在变形时的翻平效应，每道次变形后，坯料的两端横断面面积逐渐增大，所以坯料轴向的温度梯度降低，整个坯料的温度趋于1000℃，在该温度下坯料具有较好的塑性和较低的强度，使每道次变形量均大于上一次的变形量，因此在该温度下可以使坯料产生较大的压下，最终将垫片与坯料压合成为一体，制得本发明之高强度压头。

Claims (3)

1.一种热力模拟试验机用压头的制造方法，其特征在于，具体方法和步骤为：

（1）、将制造压头用坯料加工成两端细中间粗的橄榄状，且其横截面均为圆形，降低坯料压缩时的变形抗力，并使坯料在电加热过程中产生一定的温度梯度，具体温度分布可由如下公式描述：

Q=I²Rt-Q_s=Cm△T

其中：Q_s为热量损失，I为通过坯料的电流强度，R为电阻，t为加热时间，C为比热，△T为坯料由室温升高的温度值；

若坯料的电阻率为ρ₁，长度为l，横截面积为s，密度为ρ₂，则由步骤（1）温度分布可得：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{I^2{\mathrm{\ρ}}_{1}t}{C{\mathrm{\ρ}}_2{s}^2}-\frac{Q_s}{C{\mathrm{\ρ}}_2\mathrm{ls}}$

式中等式右侧的第一部分是使坯料温度升高的部分，且比第二部分的数值要大很多，是主导因素；因此，坯料的温升与其截面积的平方有着相反的变化关系，即，面积小温升快，面积大温升反而慢；

（2）、确定坯料的变形温度：根据坯料材料在不同温度下拉伸断裂后的断面收缩率以及在拉伸过程中的最大应力值测试结果，确定坯料的变形温度，将材料断面收缩率较大且最大应力值较低的温度确定为坯料加热温度，使坯料既易于加工，又不会产生裂纹；

（3）、在橄榄状坯料最粗的中间位置焊接热电偶，通过热电偶对坯料进行控温与测温；

（4）、将焊接热电偶的坯料置于具有加热和热压变形功能的两个砧头之间，并在坯料与砧头之间加上垫片，防止坯料与砧头之间的粘连；

（5）、在两砧头间加电压，对步骤（4）中的坯料进行加热，加热到步骤（2）中确定的变形温度后，对坯料进行2-7道次的压缩变形，且每道次变形量均大于上一次的变形量；坯料在每道次压缩后，坯料中间部分横断面面积不断缩小，变形时的翻平效应使坯料两端的横断面面积逐次增大，坯料轴向的温度梯度降低，整个坯料的温度趋于热电偶处的温度，坯料具有较好的塑性和较低的强度，最终在适宜的温度和压力下，将垫片与坯料压合成为一体，制得热力模拟试验机用压头。

2.根据权利要求1所述的热力模拟试验机用压头的制造方法，其特征在于，所述坯料材质为FeCrNi系高温高强钢。

3.根据权利要求1所述的热力模拟试验机用压头的制造方法，其特征在于，所述坯料加热温度为1000℃。

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