CN104399939B - 一种大型环形钢坯的近固态压力成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大型环形钢坯的近固态压力成形方法。本发明主要是解决现有环形钢坯成形方法存在的出品率低、组织均匀性差、成分偏析严重、成形压力大和工艺复杂等技术问题。本发明采用的技术方案为：其由下述步骤组成：(1)采用中频感应炉对钢液进行熔炼；(2)采用钢包精炼炉进行炉外精炼，并进行吹氩搅拌；(3)当钢液温度降低到1530～1550℃时，将钢液直接注入预热的敞口金属模腔中，并进行保温；(4)通过监测钢液温度变化，计算固相的质量分数，当固相的质量分数达到60％～70％后，合模、加压，加压速度为20～30mm/s，比压强为50～60MPa，保压时间为2～3min；(5)凝固完成后，卸压，快速冷却；(6)脱模，获得密度高、晶粒细小、组织均匀、力学性能优良的环形钢坯。
Description
技术领域
本发明涉及一种大型环形钢坯的近固态压力成形方法，它属于一种采用金属模近固态压力成形的大型环件加工成形的技术领域。
背景技术
环形钢坯的质量在整个环件铸辗复合成形工艺中起着至关重要的作用，它直接影响后续辗扩工艺的实施过程和最终环件性能的好坏。环形钢坯的现有生产工艺主要为砂型铸造和离心铸造。由于砂型铸造工艺本身存在难以解决的缺陷，导致铸钢件在生产过程中出现了一系列的问题，主要表现在以下两方面：⑴采用普通砂型铸造方法生产铸钢件时，为消除铸件中的缩孔和缩松缺陷，通常需设置大冒口对铸件进行补缩。这不仅降低了铸件的出品率，而且冒口的切除也存在困难。⑵普通砂型铸造工艺过程中，金属液散热较慢，金属液温度一直较高，因此生产出的铸件组织较为粗大；而且由于砂铸过程中造型砂的使用，极易出现夹杂。因此得到的环坯晶粒度低，容易出现缩松、缩孔、夹杂等缺陷。离心铸造虽然很好地克服了砂型铸造的缺陷，但是其工艺特点决定了钢坯组织均匀性差，成分偏析严重，合格率和使用的安全可靠性较低，只能用于较小壁厚的环坯。
采用液态模锻技术虽然可以获得组织和性能都较为优异的环形钢坯，但应用仅限于某些中小型尺寸的工件。这是因为钢铁材料熔点较高，固液两相区温度窄，当工件尺寸较大时，与模具接触的工件表面与心部的冷却速率相差较大，以致于工件表面已形成较厚的硬壳层，而心部仍为熔融的液态。这样的话，要获得高致密度的优质钢坯，就需要在很大的压力下(76Mpa～225Mpa，或者更高)才可以完成(罗守靖,何绍元,霍文灿,钢平法兰液态静压成形工艺[J],锻压机械,1983,(2):5-8)。随着压力的增加，对模具性能以及液压机的工作载荷的要求也随之提高，从而为实际生产带来一系列的问题和困难。
目前的半固态加工工艺可分为固态流变成形和半固态触变成形两种，这两种加工工艺在浇注前需要一个半固态降温和制浆过程，需要严格的温控设备和一定的制浆设备，因此提高了制造成本和工艺的复杂度。为解决上述问题，公开号为CN102672142B的“一种在型腔内的液态金属半固态加工精确成形系统”公开了一种液态金属半固态加工精确成形的系统，该系统结构复杂，工艺程序多，需要抽真空、惰性气体加压和外加振动，所以其存在着结构复杂，工艺程序多，成本高的技术问题。
发明内容
本发明的目的是解决现有的环形钢坯成形方法存在的铸件的出品率低、组织均匀性差、成分偏析严重、成形压力大和工艺复杂等技术问题，提供一种节省材料和能源、工艺简单、组织性能优异的大型环形钢坯的近固态压力成形方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种大型环形钢坯的近固态压力成形方法，其由下述步骤组成：
(1)采用中频感应炉对钢液进行熔炼，熔炼温度为1650～1670℃；
(2)采用钢包精炼炉进行炉外精炼，精炼温度为1620～1640℃，并进行吹氩搅拌；
(3)当钢液温度降低到1530～1550℃时，将钢液直接注入预热到300～350℃的敞口金属模模腔中，并进行保温；
(4)通过监测钢液温度变化，计算固相的质量分数，当固相的质量分数达到60％～70％后，合模、加压，加压速度为20～30mm/s，比压为50～60MPa，保压时间为2～3min；
(5)凝固完成后，卸压，快速冷却；
(6)脱模，获得密度高、晶粒细小、组织均匀、力学性能优良的环形钢坯。
所述敞口金属模的外部设有加热保温装置，以使钢液的固液混合状态维持到环形钢坯成形为止。
由于本发明采用了上述技术方案，在近固态压力成形过程中，液-固混合态的金属在压力作用下产生流动凝固，并伴有局部塑性变形，以较小的能量消耗，便可填充模膛。凝固完成后，加热保温装置停止加热，并用水快速冷却，从而获得细小均匀的晶粒组织，使力学性能显著改善。解决了现有的环形钢坯成形方法存在的铸件的出品率低、组织均匀性差、成分偏析严重、成形压力大和工艺复杂等技术问题。与背景技术相比，本发明的优点是：它与铸造工艺相比，利用金属塑性变形，使己凝固的封闭外壳产生高向减缩(沿施力方向)，实现强制补缩，补缩方式得以改善，而且不需要冒口，提高了钢水利用率，且晶粒细小，强度高；它与锻造相比，简化了铸造钢锭、开坯等中间工序，并且可以用小得多的设备能力生产出形状较为复杂的毛坯；它与液态模锻工艺相比，成形容易，所需要的变形功大大降低；它与半固态成形工艺相比，省去了浆料的制备和输运环节。
具体实施方式
实施例1
本实施例中的一种大型环形钢坯的近固态压力成形方法，其由下述步骤组成：
(1)采用中频感应炉对25Mn钢液进行熔炼，熔炼温度为1650～1670℃；
(2)采用钢包精炼炉进行炉外精炼，精炼温度为1620～1640℃，并进行吹氩搅拌；
(3)当钢液温度降低到1530～1550℃时，将钢液直接注入预热到300～350℃的敞口金属模腔中，并进行保温；
(4)通过监测钢液温度变化，计算固相的质量分数，当固相的质量分数达到60％～70％后，合模、加压，加压速度为20mm/s，比压强为50MPa，保压时间为3min；
(5)凝固完成后，卸压，用水快速冷却；
(6)脱模，获得密度高、晶粒细小、组织均匀、力学性能优良的环形钢坯。
上述敞口金属模的外部设有加热保温装置，以使钢液的固液混合状态维持到环形钢坯成形为止。
实施例2
本实施例中的一种大型环形钢坯的近固态压力成形方法，其由下述步骤组成：
(1)采用中频感应炉对Q235B钢液进行熔炼，熔炼温度为1650～1670℃；
(2)采用钢包精炼炉进行炉外精炼，精炼温度为1620～1640℃，并进行吹氩搅拌；
(3)当钢液温度降低到1530～1550℃时，将钢液直接注入预热到300～350℃的敞口金属模腔中，并进行保温；
(4)通过监测钢液温度变化，计算固相的质量分数，当固相的质量分数达到60％～70％后，合模、加压，加压速度为30mm/s，比压强为60MPa，保压时间为2min；
(5)凝固完成后，卸压，用水快速冷却；
(6)脱模，获得密度高、晶粒细小、组织均匀、力学性能优良的环形钢坯。
上述敞口金属模的外部设有加热保温装置，以使钢液的固液混合状态维持到环形钢坯成形为止。
实施例3
本实施例中的一种大型环形钢坯的近固态压力成形方法，其由下述步骤组成：
(1)采用中频感应炉对钢液进行熔炼，熔炼温度为1650～1670℃；
(2)采用钢包精炼炉进行炉外精炼，精炼温度为1620～1640℃，并进行吹氩搅拌；
(3)当钢液温度降低到1530～1550℃时，将钢液直接注入预热到300～350℃的敞口金属模腔中，并进行保温；
(4)通过监测钢液温度变化，计算固相的质量分数，当固相的质量分数达到60％～70％后，合模、加压，加压速度为20～30mm/s，比压强为50～60MPa，保压时间为2～3min；
(5)凝固完成后，卸压，用水快速冷却；
(6)脱模，获得密度高、晶粒细小、组织均匀、力学性能优良的环形钢坯。
上述敞口金属模的外部设有加热保温装置，以使钢液的固液混合状态维持到环形钢坯成形为止。
上述实施例中的加压速度还可以在20～30mm/s之间任意选择。
上述实施例中的比压强还可以在50～60MPa之间任意选择。
上述实施例中的保压时间还可以在2～3min之间任意选择。
Claims (2)
1.一种大型环形钢坯的近固态压力成形方法，其特征在于：它由下述步骤组成：
(1)采用中频感应炉对钢液进行熔炼，熔炼温度为1650～1670℃；
(2)采用钢包精炼炉进行炉外精炼，精炼温度为1620～1640℃，并进行吹氩搅拌；
(3)当钢液温度降低到1530～1550℃时，将钢液直接注入预热到300～350℃的敞口金属模模腔中，并进行保温；
(4)通过监测钢液温度变化，计算固相的质量分数，当固相的质量分数达到60％～70％后，合模、加压，加压速度为20～30mm/s，比压为50～60MPa，保压时间为2～3min；
(5)凝固完成后，卸压，快速冷却；
(6)脱模，获得密度高、晶粒细小、组织均匀、力学性能优良的环形钢坯。
2.根据权利要求1所述的一种大型环形钢坯的近固态压力成形方法，其特征在于：所述敞口金属模的外部设有加热保温装置，以使钢液的固液混合状态维持到环形钢坯成形为止。
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