CN107398522B - 控制电镦预制坯晶粒匀细化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了控制电镦预制坯晶粒匀细化的方法，包括设有电磁感应加热线圈的电镦装置，将杆坯夹持在电镦装置的夹持电极上，步骤1：采用电阻加热的方式对杆坯聚料端进行加热，杆坯不断从冷料端向聚料端推进，使得聚料端呈现蒜头生长；步骤2：在杆坯从冷料端向聚料端推进过程中，在蒜头内部与外表面温度差不大于200℃时，继续电镦的同时，电磁感应加热线圈中通入电流，使蒜头外表面形成涡流，进行补热，直到蒜头内部与外表面的温度差小于100℃。本发明还提供电磁补热式电镦装置，在现有电镦装置的基础上增加电磁感应加热线圈。本发明能够缩小电镦预制坯的平均晶粒尺寸，减小电镦预制坯内外部平均晶粒尺寸差异，使平均晶粒尺寸分布更加均匀。

Description

控制电镦预制坯晶粒匀细化的方法

技术领域

本发明属于材料加工工程中金属塑性成形领域。具体为大规格电镦成形坯件的晶粒匀细化工艺改进技术。

背景技术

电镦工艺是一种特定制件的快速精确预制坯锻造工艺，广泛应用于材料塑性成形领域中，如气阀、齿轮轴、拉杆、半轴等长杆、头部超大截面制件的精确聚料预成形。电镦成形过程十分复杂，涉及电-力-热及内部组织演变等4类物理过程，是一个具有高度非线性几何、物理、边界的动态多场耦合热塑性变形问题。电镦工艺采用的电镦装置包括相对设置的砧子缸与镦粗缸；砧子缸相对于镦粗缸的端面上设有砧子电极；砧子缸与镦粗缸之间设有夹持电极；还包括直流电源，砧子电极与夹持电极分别连接在直流电源的两个供电端上。

采用上述电镦装置进行电镦时：首先，将杆坯水平夹持在夹持电极上，杆坯两端分别抵压在砧子电极与镦粗缸上；杆坯位于砧子电极一端为聚料端，杆坯位于镦粗缸的一端为冷料端；然后，启动直流电源，使得夹持电极、杆坯、砧子电极与直流电源形成闭合回路，直流电流流经杆坯的聚料端，聚料端通过自身电阻以及与砧子电极的接触电阻发热，温度不断升高，达到塑性变形温度后，镦粗缸以恒定速度向聚料端推进杆坯，砧子电极以一定的速度后退，聚料端不断聚料，从而形成蒜头。

随着制件力学性能要求的提高，电镦件的形状优良已不再是电镦成形的唯一要求，微观显微组织作为影响力学性能的主因素，成为国内外研究的重点。因此，协调控制电镦工艺参数以实现电镦件形状优良及内部显微晶粒匀细化双目标是电镦工艺亟待解决的难点。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种控制电镦预制坯晶粒匀细化的方法，解决现有技术中电镦预制坯的平均晶粒尺寸较大的技术问题，能够缩小电镦预制坯的平均晶粒尺寸，减小电镦预制坯内外部平均晶粒尺寸差异，使平均晶粒尺寸分布更加均匀。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种控制电镦预制坯晶粒匀细化的方法，包括电镦装置，将杆坯夹持在电镦装置的夹持电极上，杆坯两端分别抵压在砧子缸的砧子电极与镦粗缸上，杆坯位于砧子电极的一端为聚料端，杆坯位于镦粗缸的一端为冷料端；还包括直流电源，砧子电极与夹持电极分别连接在直流电源的两个供电端上；聚料端环绕有通过交流电源供电的电磁感应加热线圈，包括以下步骤：

步骤1：启动直流电源，使得夹持电极、杆坯、砧子电极与直流电源形成闭合回路，直流电流流经聚料端对聚料端进行电阻加热，聚料端达到塑性变形温度后，在镦粗缸与砧子缸的速度差下，杆坯不断从冷料端向聚料端推进，使得聚料端呈现蒜头生长；

步骤2：在杆坯从冷料端向聚料端推进过程中，在蒜头内部与外表面温度差大于100℃且不大于200℃时，继续电镦的同时，向电磁感应加热线圈中通入交变电流，使蒜头表面形成涡流，从而对蒜头外表面进行补热，直到蒜头内部与外表面的温度差小于100℃。

本发明还提供了一种实现上述控制电镦预制坯晶粒匀细化的方法的电磁补热式电镦装置，包括相对设置的砧子缸与镦粗缸；砧子缸相对于镦粗缸的端面上设有砧子电极；砧子缸与镦粗缸之间设有夹持电极；还包括直流电源，砧子电极与夹持电极分别连接在直流电源的两个供电端上，在砧子电极与夹持电极之间设有电磁感应加热线圈，电磁感应加热线圈的轴心线平行于夹持电极的轴心线；电磁感应加热线圈连接有交流电源。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、采用电磁感应加热的方式对蒜头进行补热，能够使得蒜头外表面在短时间内快速升温，降低蒜头内部与外部的温差，快速提高蒜头动态再结晶过程的时间域内的平均温度。

2、控制补热时机，避免蒜头动态再结晶过程的时间域内的平均温度过高而导致新晶粒粗化。

3、采用电磁感应加热线圈环绕蒜头表面，线圈电流产生的磁场在蒜头表面形成分布均匀的涡流，使得蒜头外表面产热更加均匀，从而使得蒜头外表面温度分布更加均匀，促使晶粒尺寸分布更加均匀。

4、本发明提供了优良的电磁感应加热参数，为进行更精确的晶粒匀细化控制提供了参考。

附图说明

图1是采用传统电镦工艺的蒜头平均晶粒尺寸分布图；

图2是传统电镦工艺的蒜头的平均晶粒尺寸与平均温度关系之间的关系曲线；

图3是具体实施方式1到3中所采用的电磁补热式电镦装置的结构示意图；

图4是具体实施方式1中分析点在电镦过程中的平均温度值；

图5是具体实施方式1中分析点的最终平均晶粒尺寸分布图；

图6是具体实施方式2中分析点的最终平均晶粒尺寸分布图；

图7是具体实施方式3中分析点的最终平均晶粒尺寸分布图。

具体实施方式

为了更透彻的阐明本发明的实质，需要首先对本发明的原理进行说明，本发明的原理为发明人付出创造性劳动、经过大量实验所发现，并非现有理论。

首先对采用传统电镦工艺的蒜头的平均晶粒尺寸分布进行分析：在电镦30秒时的晶粒尺寸分布，如图1所示，选取图中16个分析点(16个分析点均为蒜头同一径向上的点)，分析点的平均温度及30秒时的平均晶粒尺寸如表1所示：

表1

分析点编号	温度(K)	平均晶粒尺寸(μm)
			1	1051.260067	10.70844324
2	1049.317745	10.76885342
			3	1047.449087	10.79840954
4	1040.486805	10.7643357
			5	1035.669271	10.80532585
6	1022.121743	10.58158441
			7	1004.630214	10.23293341
8	995.6805939	10.15313204
			9	985.7223972	13.06943875
10	979.8168263	18.13562241
			11	978.4322167	23.75979117
12	978.2520456	26.21068501
			13	977.9564477	28.95351067
14	977.3625534	31.91050716
			15	977.1512713	34.42212638
16	974.7865147	36.5728131

由表1，通过线性拟合温度与平均晶粒尺寸之间的关系获得如图2所示的曲线。

从图2中可以看到，当温度较低时，平均晶粒尺寸处于20-36μm，温度由972K上升到985K时，平均晶粒尺寸下降十分迅速，从36μm下降到13μm，995K时平均晶粒尺寸出现最低值10.15μm，接着随温度的上升平均晶粒尺寸变化非常小，但有微小的上升趋势。该曲线反映出低温时，动态再结晶体积分数较低，因而平均晶粒尺寸的变化较低，但随着温度的升高，发生动态再结晶的百分比上升迅速，小范围内的温度变化即可达到明显降低平均晶粒尺寸的效果；当坯料塑性变形时的温度上升到一定值时，动态再结晶体积分数上升变缓同时存在晶粒长大现象，因而平均晶粒尺寸不降反而有小幅度的上升。

通过上述分析可知电镦形成的蒜头存在内外温度分布不均现象，塑性变形温度的差异将会导致坯料内部的动态再结晶程度不一以及平均晶粒尺寸差别大。因此，为减小蒜头内外部的平均晶粒尺寸差异，必须要以实现蒜头内外部的温度均匀目标。电镦过程中坯料塑性变形温度对材料内部的平均晶粒尺寸具有重要的影响，减小坯料加热部位的温度差异，使各个位置塑性变形温度趋于一致，将是获得匀细化晶粒的重要前提。

由于蒜头内部温度无法直接测量，一般采用在有限元分析软件中通过数值模拟的方式来获取蒜头内部以及外表面的温度，然后再将模拟出来的内部温度以及外表面温度求差，从而得到蒜头内部与外表面的温差。具体实施方式1～3均采用非线性有限元分析软件来获取蒜头内部与外表面的温度差。

以下具体实施方式1～3均采用本发明所提供的电磁补热式电镦装置，如图3所示，一种电磁补热式电镦装置，包括相对设置的砧子缸与镦粗缸4；砧子缸相对于镦粗缸4的端面上设有砧子电极7；砧子缸与镦粗缸4之间设有夹持电极5；还包括直流电源，砧子电极7与夹持电极5分别连接在直流电源的两个供电端上；在砧子电极7与夹持电极5之间设有电磁感应加热线圈2，电磁感应加热线圈2的轴心线平行于夹持电极5的轴心线，这样就能保证杆坯3能穿过电磁感应加热线圈2，使得电磁感应加热线圈2能够环绕在蒜头外表面；电磁感应加热线圈2连接有交流电源；为了满足电磁补热式电镦装置的电压需求，在交流电源上接第一变压器1，在直流电源上接第二变压器6。

具体实施方式1

本具体实施方式中，所采用的杆坯的直径为23mm，长度为383mm，杆坯总行程为286mm。在对本具体实施方式中杆坯进行电镦时，采用电阻加热与电磁感应加热叠加进行补热后，再进行后续电镦。

一种控制电镦预制坯晶粒匀细化的方法，包括电镦装置，将杆坯夹持在电镦装置的夹持电极上，杆坯两端分别抵压在砧子缸的砧子电极与镦粗缸上，杆坯位于砧子电极的一端为聚料端，杆坯位于镦粗缸的一端为冷料端；还包括直流电源，砧子电极与夹持电极分别连接在直流电源的两个供电端上；聚料端环绕有通过交流电源供电的电磁感应加热线圈，包括以下步骤：

步骤1：启动直流电源，使得夹持电极、杆坯、砧子电极与直流电源形成闭合回路，直流电流流经聚料端对聚料端进行电阻加热，聚料端达到塑性变形温度后，在镦粗缸与砧子缸的速度差下，杆坯不断从冷料端向聚料端推进，使得聚料端呈现蒜头生长；

步骤2：在杆坯从冷料端向聚料端推进过程中，在蒜头内部与外表面温度差为138℃时，此时杆坯从冷料端向聚料端推进到总行程的45％，继续电镦的同时，向环绕在聚料端外表面的电磁感应加热线圈通入交变电流，使蒜头表面形成涡流，从而对蒜头外表面进行补热，补热4秒后，蒜头内部与外表面的温度差为87℃。在采用上述步骤进行补热完成后，继续电镦，直到聚料满足尺寸要求后结速电镦，获得电镦预制坯。

本具体实施方式中，电磁感应加热线圈非接触式环绕在聚料端外表面的。

本具体实施方式中，电磁感应加热线圈的通电电流为210A，电磁感应加热线圈的电流频率为1000HZ的低频电流。

为了更好的说明本发明的有益效果，将传统电镦工艺制得的电镦预制坯与(采用与本具体实施方式相同规格的杆坯)采用本具体实施方式的方法制得的电镦预制坯进行比较，分别在两种电镦预制坯上选取对应的16个分析点(16个分析点均为从蒜头中心由内向外的同一径向上的点)，分析点在电镦过程中的平均温度如图4所示，分析点的最终平均晶粒尺寸如图5所示。

从图4中可知，经过电磁感应加热后，位于蒜头外部的分析点平均温度值有所提升，但仍低于内部的分析点，这是由于平均统计是从坯料开始发生平均晶粒尺寸变化开始时刻开始的，所选分析点几乎是在7s-10s时开始发生动态再结晶的，因而短短4秒的电磁感应加热时间不能弥补三倍时间内所产生的坯料温度差。

从图5中可知，1-7号分析点的平均晶粒尺寸几乎未发生改变，这是因为这些分析点的平均晶粒尺寸在25秒(本具体实施方式的总电镦时长为30秒)时已经达到稳定，且温度在电磁感应加热前后并没有发生较大的改变，因而平均晶粒尺寸变化不大；8-16号分析点的平均晶粒尺寸得到明显降低，由图4和5对比可知，温度提升越大，相应的平均晶粒尺寸降低越大。

具体实施方式2

本具体实施方式中，所采用的杆坯的直径为23mm，长度为383mm，杆坯总行程为286mm。在对本具体实施方式中杆坯进行电镦时，采用电阻加热与电磁感应加热叠加进行补热后在进行后续电镦。与具体实施方式1所不同的是：在杆坯从冷料端向聚料端推进过程中，在蒜头内部与外表面温度差为176℃时，此时杆坯从冷料端向聚料端推进到总行程的60％，继续电镦的同时，向环绕在聚料端外表面的电磁感应加热线圈通入交变电流，使蒜头表面形成涡流，从而对蒜头外表面进行补热，补热5秒后，蒜头内部与外表面的温度差为62℃。

本具体实施方式中，电磁感应加热线圈对应环绕在聚料端靠近砧子电极的部位，由于聚料端靠近砧子电极的部位为蒜头的低温区，基于蒜头低温区升温，减小蒜头温度分布非均匀现象的目标要求，将电磁感应加热线圈环绕在蒜头的低温区，对低温区的升温效应明显，使得温度场分布根据均匀。

当然，电磁感应加热线圈环绕在蒜头中部或者靠近蒜头与杆坯交接处，也同样能达到提高蒜头外表面温度、减小蒜头内部与外表面的温差的目的。

本具体实施方式中，电磁感应加热线圈的通电电流为230A，电磁感应加热线圈的电流频率为1000HZ的低频电流。

将传统电镦工艺制得的电镦预制坯(采用与本具体实施方式相同规格的杆坯)与采用本具体实施方式的方法制得的电镦预制坯进行比较，分别在两种电镦预制坯上选取对应的16个分析点(16个分析点均为从蒜头中心由内向外的同一径向上的点)，分析点的最终平均晶粒尺寸如图6所示，从图6可知采用本具体实施方式制得的电镦预制坯的平均晶粒尺寸明显缩小，电镦预制坯内部平均晶粒尺寸与外表面平均晶粒尺寸的差异也明显减小。

具体实施方式3

本具体实施方式中，所采用的杆坯的直径为23mm，长度为838mm,杆坯总行程为286mm。在对本具体实施方式中杆坯进行电镦时，采用电阻加热与电磁感应加热叠加进行补热后在进行后续电镦。与具体实施方式1所不同的是：与具体实施方式1所不同的是：在杆坯从冷料端向聚料端推进过程中，在蒜头内部与外表面温度差为200℃时，此时杆坯从冷料端向聚料端推进到总行程的85％，继续电镦的同时，向环绕在聚料端外表面的电磁感应加热线圈通入交变电流，使蒜头表面形成涡流，从而对蒜头外表面进行补热，补热8秒后，蒜头内部与外表面的温度差为46℃。

本具体实施方式中，电磁感应加热线圈的通电电流为240A，电磁感应加热线圈的电流频率为1000HZ的低频电流。

将传统电镦工艺制得的电镦预制坯(采用与本具体实施方式相同规格的杆坯)与采用本具体实施方式的方法制得的电镦预制坯进行比较，分别在两种电镦预制坯上选取对应的16个分析点(16个分析点均为从蒜头中心由内向外的同一径向上的点)，分析点的最终平均晶粒尺寸如图7所示，从图7可知采用本具体实施方式制得的电镦预制坯的平均晶粒尺寸明显缩小，电镦预制坯内部平均晶粒尺寸与外表面平均晶粒尺寸的差异也明显减小。

比较图5至图7中补热后平均晶粒尺寸可知，采用本发明的控制电镦预制坯晶粒匀细化的方法所电镦出电镦预制坯的平均晶粒尺寸差异很小，本发明的晶粒匀细化方法具有良好的稳定性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种控制电镦预制坯晶粒匀细化的方法，包括电镦装置，将杆坯夹持在电镦装置的夹持电极上，杆坯两端分别抵压在砧子缸的砧子电极与镦粗缸上，杆坯位于砧子电极的一端为聚料端，杆坯位于镦粗缸的一端为冷料端；还包括直流电源，砧子电极与夹持电极分别连接在直流电源的两个供电端上；其特征在于：聚料端环绕有通过交流电源供电的电磁感应加热线圈，包括以下步骤：

步骤1：启动直流电源，使得夹持电极、杆坯、砧子电极与直流电源形成闭合回路，直流电流流经聚料端对聚料端进行电阻加热，聚料端达到塑性变形温度后，在镦粗缸与砧子缸的速度差下，杆坯不断从冷料端向聚料端推进，使得聚料端呈现蒜头生长；

步骤2：在杆坯从冷料端向聚料端推进过程中，在蒜头内部与外表面温度差大于100℃且不大于200℃时，继续电镦的同时，向电磁感应加热线圈中通入交变电流，使蒜头表面形成涡流，从而对蒜头外表面进行补热，直到蒜头内部与外表面的温度差小于100℃。

2.根据权利要求1所述的控制电镦预制坯晶粒匀细化的方法，其特征在于：电磁感应加热线圈环绕在聚料端靠近砧子电极的部位，电磁感应加热线圈非接触式环绕在聚料端外表面的。

3.根据权利要求1所述的控制电镦预制坯晶粒匀细化的方法，其特征在于：电磁感应加热线圈的通电电流为210～240A。

4.根据权利要求1所述的控制电镦预制坯晶粒匀细化的方法，其特征在于：电磁感应加热线圈的电流为低频电流。