CN104525799B - 大型环件的径轴向轧制应变诱发法的半固态制造工艺 - Google Patents

Abstract

大型环件的径轴向轧制应变诱发法的半固态制造工艺，首先在完成合金熔炼的基础上，采用离心铸造工艺制备出大型环件的铸态环体；其次采用径轴向轧制工艺对该铸态环体进行大变形量的塑性变形和整形处理以得到大型环件畸变态坯料；接着对该畸变态坯料进行二次重熔，以获得细小非枝晶组织的大型环件半固态坯料；然后对该半固态坯料进行半固态整体模锻成形；最后进行锻后热处理完成大型环件的制造，通过本发明能够制备出具有非枝晶细小均匀球状微观组织的大型环件，具有工艺过程简单，材料利用率高以及产品力学性能好的特点。

Description

大型环件的径轴向轧制应变诱发法的半固态制造工艺

技术领域

本发明属于半固态加工与成形技术领域，特别涉及大型环件的径轴向轧制应变诱发法的半固态制造工艺。

背景技术

在能源短缺和环境污染日益严重的情况下，新能源发电技术在世界范围内取得了长足的进步，而风能作为一种清洁的可再生能源，已日益被世界各国所重视。近年来，我国的风电产业更是蓬勃发展，2011年全国新增装机容量达18GW，居世界第一。

随着风电产业的发展，国内外对于用于成形大型风电轴承套圈、大型风电齿圈用的大型环件的需求量急剧增加，目前传统大型环件的制造方法主要以铸造和焊接成形为主，其中，铸造成形大型环件晶粒粗大、微观组织分布不均匀且存在缩松、气孔等缺陷，产品力学性能差；而焊接成形大型环件的焊缝区材料为铸态组织，且不均匀，产品性能和寿命非常有限。因此，传统大型环件的加工方法已无法市场提出的高效、低耗、性能优越的制造要求。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种大型环件的径轴向轧制应变诱发法的半固态制造工艺，通过该工艺制备出具有非枝晶细小均匀球状微观组织的大型环件。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

大型环件的径轴向轧制应变诱发法的半固态制造工艺，包括以下步骤：

1)离心铸造制坯：首先，将准备好的45#钢材料放入中频感应熔炼炉进行熔炼，其熔炼温度为1600℃以上，且保温10～20min；接着将得到的钢液温度稳定控制在1500～1550℃浇入离心铸造设备，采用离心铸造工艺制备出大型环件的铸态环体；

2)利用离心铸造余热进行径轴向轧制塑性变形：

2.1)待步骤1)中制备的大型环件的铸态环体的温度降低到始轧温度时，采用径轴向轧制工艺对大型环件余热态环体1-2进行轧制变形，在进行径轴向轧制变形时，大型环件余热态环体1-2将产生径向壁厚减小、轴向高度减小、内外直径扩大、截面轮廓成形的连续局部塑性变形，当大型环件余热态环体1-2经反复多转轧制使得其径向断面收缩率达到预定值，即环件的直径达到预定值时，则停止芯辊1-3的径向进给运动、上锥辊1-5以及下锥辊1-6的轴向进给运动，完成大型环件余热态环体1-2的径轴向轧制变形，进而得到大型环件轧制态环体，其中，始轧温度为1100～1150℃，终轧温度为800～850℃，且保证经过轧制变形得到的大型环件轧制态环件的径向断面收缩率达到40％以上；

2.2)对经步骤2.1)轧制变形处理得到的大型环件轧制态环体进行整形处理：待步骤2.1)轧制变形处理得到的大型环件轧制态环体达到设定的径向断面收缩率后，给径轴向轧制设备的芯辊1-3、上锥辊1-5以及下锥辊1-6辊设定微量的进给，从而完成对大型环件轧制态环体的整形处理，待整形处理后的大型环件轧制态环体冷却后即得到经过整形冷却的大型环件畸变态坯料；

3)二次重熔：将步骤2.2)中得到的经过整形冷却的产生大变形量的大型环件畸变态坯料放入电炉或者中频感应加热炉中进行加热及保温处理，且控制加热温度为1350～1495℃，保温时间选为5～30min，从而获得具有细小、均匀、球状微观组织的大型环件半固态坯料；

4)半固态整体模锻成形：将步骤3)中完成二次重熔得到的大型环件半固态坯料快速取出并放入用于成形大型环件的模锻机的模锻型腔，通过模锻机对该大型环件半固态坯料进行半固态整体模锻；

5)锻后热处理：首先，当完成步骤4)半固态整体模锻成形的大型环件温度降到860～900℃时，对其进行淬火处理，接着将淬火后的大型环件再加热到180～220℃进行回火处理，从而完成大型环件的制造。

相对于现有技术，本发明将径轴向轧制的应变诱发法用于制备大型环件，具有以下优点：

1.与传统通过铸造工艺制备大型环件相比，本发明利用径轴向轧制的应变诱发法制备的大型环件具有微观组织晶粒细小，分布均匀且不存在缩松、气孔等缺陷，产品力学性能好的特点。

2.本发明所采用的径轴向轧制工艺不仅可以实现坯料的大塑性变形，且采用该方法轧制过程中，工件将产生径向壁厚减小、轴向高度减小、内外直径扩大、截面轮廓成形的连续局部塑性变形，且每次轧制过程中，工件的周向均承受压应力，能够避免工件产生径向裂纹，产生最佳的塑性变形效果。

3.本发明对大型环件采用的半固态整体模锻成形工艺具有成形力小、成形件性能好的特点，此外由于半固态坯料的流动性好，因此该工艺也可用于成形较复杂的零件。

4.本发明从常用钢铁材料45#钢出发，首先，通过采用离心铸造工艺制备了大型环件铸态环体，随后利用大型环件铸态环体的余热进行了经轴向轧制塑性变形、二次重熔、半固态整体模锻成形及锻后热处理，从而制备出了大型环件，工艺过程简单，操作容易。虽然也有通过对大塑性变形后的坯料进行二次重熔而获得具有球状晶粒的方法，即应变诱发激活法，但是主要集中在铝合金、镁合金等低熔点合金上，目前为止并没有涉及到钢铁等高熔点黑色金属，更没有涉及到采用径轴向轧制的应变诱发法制造45#钢材质的大型环件的研究。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

图2是本发明采用的径轴向轧制示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

参照图1，大型环件的径轴向轧制应变诱发法的半固态制造工艺，包括以下步骤：

1)离心铸造制坯：首先，将准备好的45#钢材料放入中频感应熔炼炉进行熔炼，其熔炼温度为1600℃以上，且保温10～20min进行精炼除气；接着将得到的钢液温度稳定控制在1500～1550℃浇入离心铸造设备，采用离心铸造工艺制备出大型环件的铸态环体；

2)利用离心铸造余热进行径轴向轧制塑性变形：通过径轴向轧制工艺使得步骤1)中得到的大型环件铸态环体产生大变形量的塑性变形，从而破碎其微观组织中的枝晶，并在其组织内部存储较大的变形畸变能，具体过程为：

2.1)参照图2，待步骤1)中制备的大型环件的铸态环体的温度降低到始轧温度时，采用径轴向轧制工艺对大型环件余热态环体1-2进行轧制变形，在进行径轴向轧制变形时，大型环件余热态环体1-2将产生径向壁厚减小、轴向高度减小、内外直径扩大、截面轮廓成形的连续局部塑性变形，当大型环件余热态环体1-2经反复多转轧制使得其径向断面收缩率达到预定值，即环件的直径达到预定值时，则停止芯辊1-3的径向进给运动、上锥辊1-5以及下锥辊1-6的轴向进给运动，完成大型环件余热态环体1-2的径轴向轧制变形，进而得到大型环件轧制态环体，其中，始轧温度为1100～1150℃，终轧温度为800～850℃，且保证经过轧制变形得到的大型环件轧制态环件的径向断面收缩率达到40％以上；

2.2)对经步骤2.1)轧制变形处理得到的大型环件轧制态环体进行整形处理：待步骤2.1)轧制变形处理得到的大型环件轧制态环体达到设定的径向断面收缩率后，给径轴向轧制设备的芯辊1-3、上锥辊1-5以及下锥辊1-6辊设定微量的进给，从而完成对大型环件轧制态环体的整形处理，待整形处理后的大型环件轧制态环体冷却后即得到经过整形冷却的大型环件畸变态坯料；

3)二次重熔：将步骤2.2)中得到的经过整形冷却的产生大变形量的大型环件畸变态坯料放入电炉或者中频感应加热炉中进行加热及保温处理，且控制加热温度为1350～1495℃，保温时间选为5～30min，从而获得具有细小、均匀、球状微观组织的大型环件半固态坯料；

4)半固态整体模锻成形：利用大型环件半固态坯料具有良好的触变特性而进行的大型环件的半固态整体模锻成形，其具体工艺为：将步骤3)中完成二次重熔得到的大型环件半固态坯料快速取出并放入用于成形大型环件的模锻机的模锻型腔，通过模锻机对该大型环件半固态坯料进行半固态整体模锻；

5)锻后热处理：包括淬火和回火，首先，当完成步骤4)半固态整体模锻成形的大型环件温度降到860～900℃时，对其进行淬火处理，接着将淬火后的大型环件再加热到180～220℃进行回火处理，从而完成具有非枝晶细小均匀球状微观组织的大型环件的制造。

本发明中采用径轴向轧制工艺对大型环件余热态环体1-2进行径轴向轧制塑性变形的工作原理为：参照图2，工作过程中，驱动辊1-1做主旋转轧制运动，芯辊1-3做径向直线进给运动，导向辊1-4随大型环件余热态环体1-2旋转并起到导向作用，上锥辊1-5及下锥辊1-6做主旋转运动和向外的水平移动，同时上锥辊1-5还作向下的轴向进给运动。于是，大型环件余热态环体1-2在各轧辊的作用下将产生径向壁厚减小、轴向高度降低、内外直径扩大、界面轮廓成形的连续局部塑性变形，且当测量辊1-7检测到经过反复多转次轧制使得大型环件轧制态环件的径向断面收缩率达到40％以上，即大型环件轧制态环件的直径达到预定值时，芯辊1-3的径向进给运动、上锥辊1-5及下锥辊1-6的轴向进给运动停止，变形过程结束。

Claims (1)

1.大型环件的径轴向轧制应变诱发法的半固态制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1)离心铸造制坯：首先，将准备好的45#钢材料放入中频感应熔炼炉进行熔炼，其熔炼温度为1600℃以上，且保温10～20min；接着将得到的钢液温度稳定控制在1500～1550℃浇入离心铸造设备，采用离心铸造工艺制备出大型环件的铸态环体；

2)利用离心铸造余热进行径轴向轧制塑性变形：

2.1)待步骤1)中制备的大型环件的铸态环体的温度降低到始轧温度时，采用径轴向轧制工艺对大型环件余热态环体(1-2)进行轧制变形，在进行径轴向轧制变形时，大型环件余热态环体(1-2)将产生径向壁厚减小、轴向高度减小、内外直径扩大、截面轮廓成形的连续局部塑性变形，当大型环件余热态环体(1-2)经反复多转轧制使得其径向断面收缩率达到预定值，即环件的直径达到预定值时，则停止芯辊(1-3)的径向进给运动、上锥辊(1-5)以及下锥辊(1-6)的轴向进给运动，完成大型环件余热态环体(1-2)的径轴向轧制变形，进而得到大型环件轧制态环体，其中，始轧温度为1100～1150℃，终轧温度为800～850℃，且保证经过轧制变形得到的大型环件轧制态环件的径向断面收缩率达到40％以上；

2.2)对经步骤2.1)轧制变形处理得到的大型环件轧制态环体进行整形处理：待步骤2.1)轧制变形处理得到的大型环件轧制态环体达到设定的径向断面收缩率后，给径轴向轧制设备的芯辊(1-3)、上锥辊(1-5)以及下锥辊(1-6)辊设定微量的进给，从而完成对大型环件轧制态环体的整形处理，待整形处理后的大型环件轧制态环体冷却后即得到经过整形冷却的大型环件畸变态坯料；

3)二次重熔：将步骤2.2)中得到的经过整形冷却的产生大变形量的大型环件畸变态坯料放入电炉或者中频感应加热炉中进行加热及保温处理，且控制加热温度为1350～1495℃，保温时间选为5～30min，从而获得具有细小、均匀、球状微观组织的大型环件半固态坯料；

4)半固态整体模锻成形：将步骤3)中完成二次重熔得到的大型环件半固态坯料快速取出并放入用于成形大型环件的模锻机的模锻型腔，通过模锻机对该大型环件半固态坯料进行半固态整体模锻；

5)锻后热处理：首先，当完成步骤4)半固态整体模锻成形的大型环件温度降到860～900℃时，对其进行淬火处理，接着将淬火后的大型环件再加热到180～220℃进行回火处理，从而完成大型环件的制造。