CN104668910B - 大型环件的应变诱发式弯卷与半固态模锻复合工艺 - Google Patents

大型环件的应变诱发式弯卷与半固态模锻复合工艺 Download PDF

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Abstract

大型环件的应变诱发式弯卷与半固态模锻复合工艺，先对适当长度的45#钢材棒料进行大塑性变形的轧制及淬火处理，并在其两端加工对焊接口；其次，利用弯卷成形及铝热焊连接工艺制备了大型环件轧制态弯卷环形铝热焊连接态坯料；接着对其进行二次重熔，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以得到所需的大型环件；最后进行锻后热处理完成大型环件成形件的制造，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

大型环件的应变诱发式弯卷与半固态模锻复合工艺
技术领域
本发明属于大型环件制造技术领域，特别涉及大型环件的应变诱发式弯卷与半固态模锻复合工艺。
背景技术
目前，我国正处于工业化、市场化和城镇化加快发展的时期，也处在消费扩大和结构升级的时期，装备制造业将迎来难得发展机遇，工业生产中对环形件尤其是大型环件的需求量越来越大，在某些大型设备中，环形件已成为影响装备性能指标的关键部件，这为大型环件的发展提供巨大市场空间的同时也对大型环件的规格大小、使用性能、加工效率提出了更高的要求，特别是如何以更高的效率，生产更高精度的大型环件，已成为世界各国研究研究人员的重要课题。
目前传统大型环件的制造工艺主要为：(1)铸造成形，铸造成形的大型环件晶粒粗大、组织分布不均匀，而且存在缩松、气孔等缺陷，产品力学性能较差；(2)自由锻及扩孔，主要是在压力机上通过芯轴扩孔制得矩形截面环锻件，但是存在所需的成形力大、能耗大的缺点，此外，对于大型异形界面环件，在进行自由锻及扩孔后还需要进行精加工，即通先在压力机上通过芯轴扩孔制得矩形截面环锻件，然后通过机械切削加工出截面轮廓。不仅消耗大量的材料和加工工时，且无法获得仿形的金属纤维流线分布，产品力学性能差。
发明内容
为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应变诱发式弯卷与半固态模锻复合工艺，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：
大型环件的应变诱发式弯卷与半固态模锻复合工艺，包括以下步骤：
1)轧制矩形截面坯料：选取45#钢材棒料1-1通过轧制及淬火工艺处理制备出矩形截面的钢材坯料，从而得到大型环件轧制态坯料1-2，其中始轧温度为1100～1150℃，终轧温度为800～850℃，经过轧制变形得到的大型环件轧制态坯料1-2的矩形截面积与原45#钢材棒料1-1的圆形截面的面积之比小于60％，即得到的大型环件轧制态坯料1-2的径向断面收缩率达到40％以上；
2)利用弯卷变形铝热焊连接工艺制备环形件：
2.1)在步骤1)中得到的大型环件轧制态坯料1-2的两端分别锯切加工出对焊接口，并对其端面进行打磨，使之露出金属光泽，且粗糙度控制在6.3um以内，端面平整度控制在±0.5mm以内，并用液体四氯化碳清洗该对焊接口的端面，得到大型环件轧制态长方体坯料1-3；随后，将该大型环件轧制态长方体坯料1-3加热到250～300℃进行弯卷成形加工，得到大型环件轧制态弯卷环形坯料1-4；
2.2)铝热焊连接成形环体：先给大型环件轧制态弯卷环形坯料1-4的两个对焊接口的间隙1-4-1内填充铝热焊剂1-4-2，并通过加压装置2-1施加力F将铝热焊剂1-4-2压实；然后，点燃铝热焊剂1-4-2使之发生氧化还原反应，则反应产生的高温将使大型环件轧制态弯卷环形坯料1-4的两个对焊接口的端面熔化，随后，立即通过加压装置2-1施加顶锻力，则在高温高压作用下，该大型环件轧制态弯卷环形坯料1-4的两个对焊接口端面间将形成原子间的金属键连接，完成结晶和交互结晶，从而使两个对焊接口焊接在一起，实现锻态组织的无缝焊接，同时，在顶锻力的作用下，部分熔融金属将被顶出两个对焊接口的接触面而围绕在外侧形成凸棱，即得到大型环件轧制态弯卷环形铝热焊连接凸出态坯料1-5；最后，去除金属焊接因顶锻而形成的凸出量，完成焊接，即得到大型环件轧制态弯卷环形铝热焊连接态坯料1-6；
3)二次重熔：将步骤2.2)中得到的大型环件轧制态弯卷环形铝热焊连接态坯料1-6放入电炉或者中频感应加热炉中进行加热及保温处理，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：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，从而完成大型环件成形件1-7的制造。
相对于现有技术，本发明将轧制弯卷成形复合闪光对焊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，本发明利用轧制弯卷变形铝热焊连接的应变诱发法制造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.与传统自由锻、扩孔后切削加工的制造工艺相比，本发明为整体成形、材料利用率高、成形件的金属流线完整、力学性能更好。此外，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。
3.本发明从常用钢铁材料45#钢出发，先选取适当长度的45#钢材棒料1-1通过轧制工艺制备出产生较大的塑性变形矩形截面的钢材坯料，从而得到产生较大塑性变形的大型环件轧制态坯料1-2并在其两端分别加工对焊接口，随后利用弯卷成形及铝热焊连接工艺制备了大型环件轧制态弯卷环形铝热焊连接态坯料1-6，再经过二次重熔、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成形件1-7，工艺过程简单，操作容易。
4.本发明的中应变诱发法中需要的大变形量的塑性变形的产生包括轧制变形和弯卷变形两种方式，先利用轧制变形将棒料轧制成为具有矩形截面坯料；随后利用弯卷变形成环方式使得该矩形截面坯料弯卷成环，则其成形环件的内侧会再次发生压缩变形，其成形环件的外侧会再次发生拉伸变形，从而产生进一步的大变形量。此外，采用本发明不仅可制造大型环件、也可用于制造大型外齿轮以及大型内齿轮。
附图说明
图1是发明的工艺流程图。
图2是本发明中从45#钢材棒料1-1到大型环件成形件1-7的制造过程示意图。
图3是本发明中大型环件轧制态弯卷环形坯料1-4安装在加压装置2-1上的示意图。
图4是本发明中给大型环件轧制态弯卷环形坯料1-4的两个对焊接口的间隙1-4-1内填充铝热焊剂1-4-2，并通过加压装置2-1施加一定的力F将铝热焊剂1-4-2压实的原理示意图。
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及图2，大型环件的应变诱发式弯卷与半固态模锻复合工艺，包括以下步骤：
1)轧制矩形截面坯料：选取45#钢材棒料1-1通过轧制及淬火工艺处理制备出矩形截面的钢材坯料，从而得到大型环件轧制态坯料1-2，其中始轧温度为1100～1150℃，终轧温度为800～850℃，经过轧制变形得到的大型环件轧制态坯料1-2的矩形截面积与原45#钢材棒料1-1的圆形截面的面积之比小于60％，即得到的大型环件轧制态坯料1-2的径向断面收缩率达到40％以上；
2)利用弯卷变形铝热焊连接工艺制备环形件：
2.1)在步骤1)中得到的大型环件轧制态坯料1-2的两端分别锯切加工出对焊接口，并对其端面进行打磨，使之露出金属光泽，且粗糙度控制在6.3um以内，端面平整度控制在±0.5mm以内，并用液体四氯化碳清洗该对焊接口的端面，得到大型环件轧制态长方体坯料1-3；随后，将该大型环件轧制态长方体坯料1-3加热到250～300℃进行弯卷成形加工，得到大型环件轧制态弯卷环形坯料1-4；
2.2)铝热焊连接成形环体：先给大型环件轧制态弯卷环形坯料1-4的两个对焊接口的间隙1-4-1内填充铝热焊剂1-4-2，并通过加压装置2-1施加力F将铝热焊剂1-4-2压实；然后，点燃铝热焊剂1-4-2使之发生氧化还原反应，则反应产生的高温将使大型环件轧制态弯卷环形坯料1-4的两个对焊接口的端面熔化，随后，立即通过加压装置2-1施加顶锻力，则在高温高压作用下，该大型环件轧制态弯卷环形坯料1-4的两个对焊接口端面间将形成原子间的金属键连接，完成结晶和交互结晶，从而使两个对焊接口焊接在一起，实现锻态组织的无缝焊接，同时，在顶锻力的作用下，部分熔融金属将被顶出两个对焊接口的接触面而围绕在外侧形成凸棱，即得到大型环件轧制态弯卷环形铝热焊连接凸出态坯料1-5；最后，去除金属焊接因顶锻而形成的凸出量，完成焊接，即得到大型环件轧制态弯卷环形铝热焊连接态坯料1-6；
3)二次重熔：将步骤2.2)中得到的大型环件轧制态弯卷环形铝热焊连接态坯料1-6放入电炉或者中频感应加热炉中进行加热及保温处理，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：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，从而完成大型环件成形件1-7的制造。

Claims (1)

1.大型环件的应变诱发式弯卷与半固态模锻复合工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)轧制矩形截面坯料：选取45#钢材棒料(1-1)通过轧制及淬火工艺处理制备出矩形截面的钢材坯料，从而得到大型环件轧制态坯料(1-2)，其中始轧温度为1100～1150℃，终轧温度为800～850℃，经过轧制变形得到的大型环件轧制态坯料(1-2)的矩形截面积与原45#钢材棒料(1-1)的圆形截面的面积之比小于60％，即得到的大型环件轧制态坯料(1-2)的径向断面收缩率达到40％以上；
2)利用弯卷变形铝热焊连接工艺制备环形件：
2.1)在步骤1)中得到的大型环件轧制态坯料(1-2)的两端分别锯切加工出对焊接口，并对其端面进行打磨，使之露出金属光泽，且粗糙度控制在6.3um以内，端面平整度控制在±0.5mm以内，并用液体四氯化碳清洗该对焊接口的端面，得到大型环件轧制态长方体坯料(1-3)；随后，将该大型环件轧制态长方体坯料(1-3)加热到250～300℃进行弯卷成形加工，得到大型环件轧制态弯卷环形坯料(1-4)；
2.2)铝热焊连接成形环体：先给大型环件轧制态弯卷环形坯料(1-4)的两个对焊接口的间隙(1-4-1)内填充铝热焊剂(1-4-2)，并通过加压装置(2-1)施加力F将铝热焊剂(1-4-2)压实；然后，点燃铝热焊剂(1-4-2)使之发生氧化还原反应，则反应产生的高温将使大型环件轧制态弯卷环形坯料(1-4)的两个对焊接口的端面熔化，随后，立即通过加压装置(2-1)施加顶锻力，则在高温高压作用下，该大型环件轧制态弯卷环形坯料(1-4)的两个对焊接口端面间将形成原子间的金属键连接，完成结晶和交互结晶，从而使两个对焊接口焊接在一起，实现锻态组织的无缝焊接，同时，在顶锻力的作用下，部分熔融金属将被顶出两个对焊接口的接触面而围绕在外侧形成凸棱，即得到大型环件轧制态弯卷环形铝热焊连接凸出态坯料(1-5)；最后，去除金属焊接因顶锻而形成的凸出量，完成焊接，即得到大型环件轧制态弯卷环形铝热焊连接态坯料(1-6)；
3)二次重熔：将步骤2.2)中得到的大型环件轧制态弯卷环形铝热焊连接态坯料(1-6)放入电炉或者中频感应加热炉中进行加热及保温处理，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：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，从而完成大型环件成形件(1-7)的制造。
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