CN104561489B - 一种径向锻造应变诱发法制备钢铁半固态坯料的工艺 - Google Patents

Abstract

一种径向锻造应变诱发法制备钢铁半固态坯料的工艺，先预热钢铁棒料，再对钢铁棒料进行径向锻造，然后进行径向锻造后坯料的二次重熔，最后进行半固态坯料的制备，通过该工艺可以批量制备组织均匀的、微观缺陷少的钢铁半固态坯料，工艺过程简单，容易操作。

Description

一种径向锻造应变诱发法制备钢铁半固态坯料的工艺

技术领域

本发明属于半固态加工与成形技术领域，特别涉及一种径向锻造应变诱发法制备钢铁半固态坯料的工艺。

背景技术

20世纪70年代美国麻省理工学院的Flemings教授提出了金属半固态加工成形技术。半固态加工成形技术即采用微观组织为球状晶粒悬浮在共晶液相的半固态坯料进行成形的工艺。该方法是一种介于铸造(纯液态)和锻压(纯固态)之间的成形方法。球形或者近球形的半固态浆料具有明显的触变特性：即随着剪切速率的增加，表观粘度呈指数下降，使得成形过程中浆料具有流动性好、成形力低的特征。并且在充型过程中，半固态浆料以层流运动的方式顺序充填模具型腔，减少了缩松缩孔等微观组织缺陷增强充型零件的力学性能。成形后的零件由于其金相组织为独立细小的球状晶，避免了枝晶组织出现的微观应力集中，增强了零件的机械性能。目前，半固态成形技术在铝合金、镁合金等低熔点合金上已经有部分应用。利用在半固态温度下制备的浆料直接进行成形加工称之为流变成形；将浆料凝固成坯锭，根据需要对其切分并重新加热至半固态温度区在进行成形加工，称之为触变成形。具体成形技术涉及到半固态压铸、半固态挤压铸造、半固态模锻等方法。

半固态成形技术的关键在于制备具有球状晶悬浮在共晶液相的半固态坯料。由液态金属制备半固态浆料的方法主要集中在机械搅拌法或者电磁搅拌法，即在金属凝固过程中，对浆料施加剧烈的机械或电磁搅拌或扰动，得到一种共晶液相中均匀悬浮着球状初生固相的固-液混合浆料。而其他由液 态金属制备半固态坯料的方法也主要集中在金属凝固过程中或改变金属的热状态、或加入晶粒细化剂、或进行快速凝固等，即改变初生固相的形核和长大过程，得到分布在共晶液相中的球状初生固相的固-液混合浆料.但是，常规的机械搅拌法以及电磁搅拌法制备铝合金半固态浆料的工艺具有以下缺点：高温对机械搅拌器存在严重的腐蚀作用，腐蚀的残渣与半固态浆料混合从而导致获得的浆料不纯。半固态或者液态的浆料在电磁搅拌过程中对电磁搅拌器有强烈的热辐射作用，导致电磁搅拌器需要增加额外的隔热冷却装置，设备复杂。此外不论电磁搅拌还是机械搅拌制备的半固态坯料均存在成分偏析现象，坯料中心位置的微观组织较差，并且不可避免的存在微观孔洞，不能够获得均匀的、无缺陷的半固态坯料。而由固态坯料制备半固态金属的方法主要是应变诱发法，即对大塑性变形后的金属二次重熔后获得球状晶粒。

但是传统的应变诱发法的塑性变形方法多采用等径角挤压、轧制、压缩、多向锻造等方法，涉及的材料主要集中在铝合金、镁合金等低熔点合金上。上述方法都存在变形材料的体积的限制，若变形材料的体积过大，则变形力过大，难以在现有设备上成批大量制备出所需的半固态坯料。而且目前为止上述方法主要集中在铝合金、镁合金等低熔点合金半固态坯料的制备上，并没有涉及到钢铁等高熔点黑色金属半固态坯料的制备。

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径向锻造应变诱发法制备钢铁半固态坯料的工艺，通过该工艺可以批量制备组织均匀的、微观缺陷少的钢铁半固态坯料。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种径向锻造应变诱发法制备钢铁半固态坯料的工艺，包括以下步骤：

1)预热钢铁棒料，将钢铁棒料随电炉加热至950～970℃，随后进行保温处理，对于不同直径的棒料具体的保温时间为0.5D～0.7D分钟，D为棒材的直径；

2)对钢铁棒料进行径向锻造，通过径向锻机的机械手将预热的钢铁棒料取出并夹持旋转轴向送进，径向锻机在坯料周围对称分布的四个锤头，对坯料沿径向进行高频率往复锻打，同时机械手带动坯料边做旋转运动边做轴向进给运动，使坯料在多头螺旋式延伸变形情况下拔长变细，断面收缩率达到60％以上，为了成形不同尺寸的零件，按照其零件所需的坯料直径将钢铁棒料径向锻造至所需的直径；

3)径向锻造后坯料的二次重熔，将径向锻造后的坯料重新放回电炉或者中频感应加热炉中加热，进行二次重熔，即加热至1250～1300℃并保温15～20min，获得具有球状晶悬浮在共晶液相的半固态坯料，此时钢铁棒料对应的固相率为38.5～52.5％；

4)半固态坯料的制备，该坯料直接取出并按照零件所需的体积进行分段切割后用于半固态触变成形，半固态触变成形包括半固态触变压铸、半固态触变挤压和半固态触变锻造；若只是批量制备半固态坯料则立即淬火保持其微观组织，即完成了钢铁半固态坯料的制备。

相对于现有技术，本发明将径向锻造技术用于制备钢铁半固态坯料具有以下优点：

1.本发明通过径向锻造技术实现45#钢棒的大塑性变形，并通过二次重熔制备出成分均匀、微观缺陷少，成形性能好的半固态钢铁浆料，工艺过程简单，容易操作，避免了对熔融金属施加剧烈的搅拌或扰动过程中存在的成分偏析，微观组织不均匀，缩松缩孔多的缺陷。特别是对于黑色金属，由于其熔点较高，电磁搅拌或者机械搅拌的设备复杂，实施困难，制造成本较高。

2.本发明所采用的径向锻造技术是多次小变形连续锻造工艺实现坯料的大塑性变形，能够在较小吨位的设备上连续大批量制造钢铁半固态坯料，并且在每一次锻造过程中，坯料均承受三向压应力，保证材料具有最好的塑性变形能力，并且能够避免棒料的心部产生纵向裂纹，具有成本低、连续生产能力强及性能高的特点，从而可取代或部分取代采用其他塑性变形方式制备的铝合金，镁合金，以及钢铁材料的半固态坯料，有效的解决了其他塑性变形方法存在的体积限制的困难。

附图说明

图1是本发明采用的径向锻造示意图，其中图1(a)为主视图，图1(b)为侧视图。

图2是本发明的工艺流程图。

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和图2，以Φ120mm的45#钢棒举例，一种径向锻造应变诱发法制备钢铁半固态坯料的工艺，包括以下步骤：

1)预热钢铁棒料，将Φ120mm的钢铁棒料随电炉加热至950～970℃，随后进行60～80分钟的保温处理，保证整个坯料热透；对于不同直径的棒料具体的保温时间为0.5D～0.7D分钟，D为棒材的直径；

2)对钢铁棒料进行径向锻造，通过径向锻机的机械手将预热的钢铁棒料取出并夹持旋转轴向送进，径向锻机在坯料周围对称分布的四个锤头，对坯料沿径向进行高频率往复锻打，同时机械手带动坯料边做旋转运动边做轴向进给运动，使坯料在多头螺旋式延伸变形情况下拔长变细，断面收缩率达到60％以上，为了成形不同尺寸的零件，按照其零件所需的坯料直径将钢铁棒料径向锻造至所需的直径；

3)径向锻造后坯料的二次重熔，将径向锻造后的坯料重新放回电炉或 者中频感应加热炉中加热，进行二次重熔，即加热至1250～1300℃并保温15～20min，获得具有球状晶悬浮在共晶液相的半固态坯料，此时钢铁棒料对应的固相率为38.5～52.5％；

4)半固态坯料的制备，该坯料直接取出并按照零件所需的体积进行分段切割后用于半固态触变成形，半固态触变成形包括半固态触变压铸、半固态触变挤压和半固态触变锻造；若只是批量制备半固态坯料则立即淬火保持其微观组织，即完成了钢铁半固态坯料的制备。

通过以上步骤，能够制备出球状晶粒均匀分布在共晶基体中的钢铁半固态坯料，球状晶尺寸约为80～100um，显著的减少了成分偏析、缩松缩孔等微观缺陷，增强了坯料所制备的零件的机械性能。

Claims (1)

1.一种径向锻造应变诱发法制备钢铁半固态坯料的工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1)预热钢铁棒料，将钢铁棒料随电炉加热至950～970℃，随后进行保温处理，对于不同直径的棒料具体的保温时间为0.5D～0.7D分钟，D为棒材的直径；

2)对钢铁棒料进行径向锻造，通过径向锻机的机械手将预热的钢铁棒料取出并夹持旋转轴向送进，径向锻机在坯料周围对称分布的四个锤头，对坯料沿径向进行高频率往复锻打，同时机械手带动坯料边做旋转运动边做轴向进给运动，使坯料在多头螺旋式延伸变形情况下拔长变细，断面收缩率达到60％以上，为了成形不同尺寸的零件，按照其零件所需的坯料直径将钢铁棒料径向锻造至所需的直径；

3)径向锻造后坯料的二次重熔，将径向锻造后的坯料重新放回电炉或者中频感应加热炉中加热，进行二次重熔，即加热至1250～1300℃并保温15～20min，获得具有球状晶悬浮在共晶液相的半固态坯料，此时钢铁棒料对应的固相率为38.5～52.5％；

4)半固态坯料的制备，该坯料直接取出并按照零件所需的体积进行分段切割后用于半固态触变成形，半固态触变成形包括半固态触变压铸、半固态触变挤压和半固态触变锻造；若只是批量制备半固态坯料则立即淬火保持其微观组织，即完成了钢铁半固态坯料的制备。