CN106363363A - 一种钢质叶轮半固态触变锻造成形工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢质叶轮半固态触变锻造成形工艺，包括如下步骤：1）根据钢质叶轮的尺寸制造半固态触变锻造成形模具；2）切割下料；3）将已精确下料的坯料放入炉温为始锻温度的加热炉中加热保温；4）对坯料进行轴向镦粗，镦粗后再将坯料拔长；5）按指定次数重复步骤4）；6）再将坯料加热至钢的半固态温度1250℃~1450℃，并保温一段时间，获得钢质叶轮触变锻造成形的半固态坯料；7）将半固态坯料在模具中进行锻造成形。本发明为钢质叶轮类高熔点合金薄壁复杂零件的近终成形：与精密锻造相比，成形压力小，易于流动充填模具；与铸造相比，成形温度低，产品组织性能好；与机加工‑焊接相比，材料利用率和生产效率高，产品精度和组织性能好。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢质叶轮的成形工艺，尤其是涉及一种钢质叶轮半固态触变锻造成形工艺。
背景技术
金属半固态成形主要有半固态流变成形和半固态触变成形两种工艺路线。其中半固态流变成形有流变铸造、流变轧制，流变挤压等；半固态触变成形有触变压铸，触变模锻，触变挤压等。
半固态模锻是将已制备好的固相分数在50%左右的非枝晶半固态坯料,,在锻造设备的作用下,在锻模中进行以压缩变形为主的模锻成形,来生产所要求形状和性能的制品。形。对于少、无机械加工的黑色金属模锻件，实现其近终成形, 采用半固态模锻工艺生产具有巨大的优势。同时，对于一些传统锻造工艺无法成形的形状复杂锻件，而采用半固态模锻工艺可以在较低的成形压力下生产出来。
钢质叶轮是一种薄壁复杂曲面零件，由于其具有良好的耐磨性能，已广泛应用于工业水泵、通风管道等装备上，其传统制造方法是通过普通铸造或焊接而成。普通铸造的钢质叶轮不仅内部缩孔和疏松多、晶粒粗大不均匀，组织性能差，而且收缩大，精度低；将冲压成形的叶片焊接在轮毂上制造的钢质叶轮，制造效率低，焊接精度和焊缝的组织性能差。为了提高钢质叶轮的生产效率、制造精度和内部组织性能，采用固体坯料精密锻造难以流动成形（叶片薄），采用普通精密铸造技术加工难以保证其内部组织性能。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种钢质叶轮半固态触变锻造成形工艺，该工艺可以在较低的压力下锻造出形状复杂，叶片薄的，综合性能好的钢质叶轮。
一种钢质叶轮半固态触变锻造成形工艺，包括如下步骤：
1）根据钢质叶轮的尺寸，进行半固态触变锻造成形模具设计，并采用H13热作模具钢制作钢质叶轮的半固态触变锻造成形模具；
2）根据钢质叶轮的形状尺寸及质量，对工业用钢棒坯料或铸锭进行精确切割下料；
3）将已精确下料的坯料放入已加热到始锻温度的加热炉中并保温，保温时间为：t=0.5D~0.7D，单位为min，D为坯料最大截面的尺寸，单位为mm；
4）将坯料夹持到锻造设备上进行轴向镦粗，镦粗后再将坯料拔长；
5）在锻造温度范围内，多次重复步骤4）；
6）将镦拔后的坯料加热至半固态温度区间，保温一段时间，进行半固态等温处理；
7）将步骤6）制备好的半固态坯料夹持到已预热的钢质叶轮锻造模具上，在锻造设备提供的压力下，进行钢质叶轮的半固态触变锻造成形；
上述的钢质叶轮半固态触变锻造成形工艺中，步骤4）中，镦粗和拔长的变形量不小于35%。
上述的钢质叶轮半固态触变锻造成形工艺中，步骤6）中，高温电阻炉内的温度为1250℃~1400℃。
上述的钢质叶轮半固态触变锻造成形工艺中，步骤2）中，所得坯料的质量大于钢质叶轮的质量。
上述的钢质叶轮半固态触变锻造成形工艺中，步骤3）中，始锻温度为1100℃~1200℃。
上述的钢质叶轮半固态触变锻造成形工艺中，步骤7）中，钢质叶轮锻造模具的预热温度为300℃~400℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1）本发明在半固态钢坯料的制备过程中，采用轴向反复镦粗拔长来细化晶粒，储存变形能，以达到应变诱导效果，结合半固态等温处理成功制备出组织均匀细小，球化好，缺陷小，固相分数在30%~60%，流动性好且便于夹持的高质量半固态钢坯料；在钢质叶轮半固态模锻成形中，采用经过预热的模具，可以在较小的压力下成形出叶片薄，形状复杂，综合性能好的高质量的钢质叶轮。
2）本发明为钢质叶轮类高熔点合金薄壁复杂零件的近终成形,与精密锻造相比，本发明成形压力小，易于流动充填模具；与铸造相比，本发明成形温度低，产品组织性能好；与机加工-焊接相比，本发明材料利用率和生产效率高，产品精度和组织性能好;
3）与常规的半固态触变成形工艺相比，本发明省去了半固态触变成形二次加热过程，缩短了工艺流程，节约成本。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
图2是现有的焊接结构的叶轮的结构示意图。
图3是本发明制造的钢质叶轮的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
如图1所示，本实施例以Φ100mm的9Cr18钢棒为原材料制造钢质叶轮，钢质叶轮的半固态触变锻造成形工艺，其步骤如下：
1）、根据钢质叶轮的尺寸，进行半固态触变锻造成形模具设计，并采用H13热作模具钢制作钢质叶轮的半固态触变锻造成形模具。
2）、根据三维软件UG计算其总体积约为472932mm3,质量约为3.7千克,下料时，考虑到加热损耗，锻打损耗，加工余量及其他一些因素损耗，所以依照体积及质量计算,在带锯床上将Φ100mm的9Cr18钢棒切割成Φ100mm×62mm,下料体积为：486946.86 mm3，确保最终半固态坯料的质量略大于钢质叶轮的质量。
3）、将已精确下料的坯料放入已加热到始锻温度1150℃的加热炉中并保温70min（根据计算公式保温时间为：0.5D~0.7D，单位为min，D为坯料最大截面的尺寸，单位为mm获得）。
4）、将坯料快速夹持到400公斤的空气锤上，锻造比为2（变形量50%），进行轴向镦粗，镦粗后拔长锻造，恢复到镦粗前的形状尺寸， 始锻温度1150℃，终锻温度850℃。
5）在锻造温度范围内，重复步骤4）3次。轴向多道次镦粗拔长，以细化晶粒，消除缺陷，储存变形能。在锻打过程中尽量采用高速轻打，小锻比，多道次镦拔的累积变形方式来实现大塑性变形，防止裂纹的产生；采用红外测温仪测量温度，采用钢尺，卡尺测量尺寸。
6）、将坯料运送到高温电阻炉内,并加热至半固态温度1360℃,保温一段时间，通过严格控制保温时间制得组织均匀细小，球化好，缺陷小，固相分数在60%左右，流动性好且便于夹持的钢质叶轮半固态钢坯料。
7）、将已制备好的钢质叶轮半固态坯料迅速夹持到已预热350℃的钢质叶轮半固态触变锻造成形模具上，在油压机等锻造设备提供的压力下，进行钢质叶轮的半固态触变锻造成形。
实施例2
如图1所示，本实施例以Φ100mm的45#钢的钢棒为原材料制造钢质叶轮，钢质叶轮的半固态触变锻造成形工艺，其步骤如下：
1）、根据钢质叶轮的尺寸，进行半固态触变锻造成形模具设计，并采用H13热作模具钢制作钢质叶轮的半固态触变锻造成形模具。
2）、根据三维软件UG计算其总体积约为472932mm3,质量约为3.7千克,下料时，考虑到加热损耗，锻打损耗，加工余量及其他一些因素损耗，所以依照体积及质量计算,在带锯床上将Φ100mm的45#钢的钢棒切割成Φ100mm×62mm, 下料体积为：486946.86 mm3，确保最终半固态坯料的质量略大于钢质叶轮的质量。
3）、将精确下料好的钢坯料放入已加热到始锻温度1200℃的加热炉中并保温60min。
4）、将坯料快速夹持到400公斤的空气锤上，锻造比为2（变形量50%），进行轴向镦粗，镦粗后拔长，恢复到镦粗前的形状尺寸，始锻温度1200℃，终锻温度800℃。
5）在锻造温度范围内，重复步骤4）3次。轴向多道次镦粗拔长，以细化晶粒，消除缺陷，储存变形能。在锻打过程中尽量采用高速轻打，小锻比，多道次镦拔的累积变形方式来实现大塑性变形，防止裂纹的产生；采用红外测温仪测量温度，采用钢尺，卡尺测量尺寸。
6）、将坯料运送到高温电阻炉内,并加热至半固态温度1360℃,保温一段时间，通过严格控制保温时间制得组织均匀细小，球化好，缺陷小，固相分数在40%左右，流动性好且便于夹持的钢质叶轮半固态钢坯料。
7）、将已制备好的钢质叶轮半固态坯料迅速夹持到已预热300℃的钢质叶轮半固态触变锻造成形模具上，在油压机等锻造设备提供的压力下，进行钢质叶轮的半固态触变锻造成形。
实施例3
如图1所示，本实施例以Φ100mm的100Cr6钢棒为原材料制造钢质叶轮，钢质叶轮的半固态触变锻造成形工艺，其步骤如下：
1）、根据钢质叶轮的尺寸，进行半固态触变锻造成形模具设计，并采用H13热作模具钢制作钢质叶轮的半固态触变锻造成形模具。
2）、根据三维软件UG计算其总体积约为472932mm3,质量约为3.7千克,下料时，考虑到加热损耗，锻打损耗，加工余量及其他一些因素损耗，所以依照体积及质量计算,在带锯床上将Φ100mm的100Cr6钢棒切割成Φ100mm×62mm, 下料体积为：486946.86 mm3，确保最终半固态坯料的质量略大于钢质叶轮的质量。
3）、将精确下料好的钢坯料放入已加热到始锻温度1100℃的加热炉中并保温50min。
4）、将坯料快速夹持到400公斤的空气锤上，锻造比为2（变形量50%），进行轴向镦粗，镦粗后拔长，恢复到镦粗前的形状尺寸，始锻温度1100℃，终锻温度800℃。
5）在锻造温度范围内，重复步骤4）3次。轴向多道次镦粗拔长，以细化晶粒，消除缺陷，储存变形能。在锻打过程中尽量采用高速轻打，小锻比，多道次镦拔的累积变形方式来实现大塑性变形，防止裂纹的产生；采用红外测温仪测量温度，采用钢尺，卡尺测量尺寸。
6）、将坯料运送到高温电阻炉内,并加热至半固态温度1360℃,保温一段时间，通过严格控制保温时间制得组织均匀细小，球化好，缺陷小，固相分数在60%左右，流动性好且便于夹持的钢质叶轮半固态钢坯料。
7）、将已制备好的钢质叶轮半固态坯料迅速夹持到已预热400℃的钢质叶轮半固态触变锻造成形模具上，在油压机等锻造设备提供的压力下，进行钢质叶轮的半固态触变锻造成形。
Claims (6)
1.一种钢质叶轮半固态触变锻造成形工艺，包括如下步骤：
1）根据钢质叶轮的尺寸，进行半固态触变锻造成形模具设计，并采用H13热作模具钢制作钢质叶轮的半固态触变锻造成形模具；
2）根据钢质叶轮的形状尺寸及质量，对工业用钢棒坯料或铸锭进行精确切割下料；
3）将已精确下料的坯料放入已加热到始锻温度的加热炉中并保温，保温时间为：t=0.5D~0.7D，单位为min，D为坯料最大截面的尺寸，单位为mm；
4）将坯料夹持到锻造设备上进行轴向镦粗，镦粗后再将坯料拔长；
5）在锻造温度范围内，按指定次数重复步骤4）；
6）将镦拔后的坯料加热至钢的半固态温度区间，保温一段时间，进行半固态等温处理；
7）将步骤6）制备好的半固态坯料夹持到已预热的钢质叶轮半固态触变锻造成形模具上，在锻造设备提供的压力下，进行钢质叶轮的半固态触变锻造成形。
2.根据权利要求1所述的钢质叶轮半固态触变锻造成形工艺，步骤2）中，所得坯料的质量大于钢质叶轮的质量。
3.根据权利要求1所述的钢质叶轮半固态触变锻造成形工艺，步骤3）中，始锻温度为1100℃~1200℃。
4.根据权利要求1所述的钢质叶轮半固态触变锻造成形工艺，步骤4）中，镦粗和拔长的变形量不小于35%。
5.根据权利要求1所述的钢质叶轮半固态触变锻造成形工艺，步骤6）中，高温电阻炉内的温度为1250℃~1400℃。
6.根据权利要求1所述的钢质叶轮半固态触变锻造成形工艺，步骤7）中，钢质叶轮锻造模具的预热温度为300℃~400℃。
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