CN111097868A - 镍基超合金船用低速柴油机气阀制坯成形工艺 - Google Patents

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黄云峰
陈文彬
蒋倩
鲍海波
丁天
裴艳艳
陈舒婷
王子晗
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Abstract

本发明公开了一种镍基超合金材料船用低速柴油机气阀制坯成形工艺，包括电热镦成形工艺、二次加热工艺、模锻成形工艺；电热镦结束后电热镦件搬运进加热炉进行二次加热，二次加热结束后电热镦件搬运进油压机模具，电热镦件进入模具后，按设定程序运行进行模锻，模锻结束后由机械手搬运至落料仓位；本发明通过电热镦成形+二次加热+模锻成形一次完成船用低速柴油机气阀的毛坯制作，锻件外形、尺寸及允许偏差符合图纸标注尺寸，高温、常温拉伸性能、硬度、冲击等机械性能一次检验合格，锻件锻造部位晶粒度细于4级，组织均匀，实现船填补国内空白。

Description

镍基超合金船用低速柴油机气阀制坯成形工艺
技术领域
本发明涉及一种船用低速柴油机气阀制坯成形工艺，尤其是一种Nimonic 80A材料的镍基超合金船用低速柴油机气阀成形工艺，属于锻造成形技术领域。
背景技术
Nimonic 80A镍基超合金广泛应用于船用柴油机气阀的制造，目前国内生产方式主要是通过自由锻多火锻造成形，Nimonic 80A镍基超合金可锻温度区间窄，冷作硬化明显，极易产生裂纹或内部晶粒长大异常，产品质量稳定性差，需要人、设备、材料、环境、方法的完美配合才能实现批量生产，且生产效率低下。电热镦成形采用局部加热镦粗的方式，可靠稳定，电热镦结束后，通过二次加热保温确保电热镦件的始锻温度在可控范围内，工艺方法简单，产品质量稳定性、一致性好。
发明内容
本发明公开了一种镍基超合金船用低速柴油机气阀制坯成形工艺，目的是通过采用电热镦成形+二次加热+模锻成形，选取合适的成形工艺，一次完成船用低速柴油机气阀的毛坯制作，锻件外形、尺寸及允许偏差符合图纸标注尺寸，高温、常温拉伸性能、硬度、冲击等机械性能一次检验合格，锻件锻造部位晶粒度细于4级，组织均匀。
镍基超合金材料为Nimonic 80A镍基超合金，其化学成分应满足表1要求
Figure BDA0002349016910000011
表1
具体步骤如下：
步骤1、电热镦成形工艺，棒料通过机械手送入电热镦机，通过夹持电极夹紧棒料，砧子电极通过砧子缸向棒料方向运动，与棒料接触后进行通电加热，同时顶镦杆在顶锻缸的驱动下推动棒料向砧子缸方向运动，进行局部加热镦锻成形，根据体积不变原则，依据模具型腔所需填充量设定顶锻缸位移；
步骤2、二次加热工艺，通过二次加热炉控制前述步骤中的电热镦件的始锻温度为1030-1050℃之间，二次加热温度根据不同电热镦件直径设定保温锻和保温时间，按照10-15s每毫米计算加热时间，加热温度根据始终锻温度设置，加热方式可以分为电热镦结束后直接进加热炉加热和电热镦结束后冷却再进入加热炉加热两种方式，冷却后的工件进入加热炉，保温时间需要增加15-30min；
步骤3、模锻成形工艺，通过大吨位油压机对始锻温度在1030-1050℃的电热镦件进行模锻成形。
进一步的，所述步骤1中，电热镦所需棒料为磨光圆材料，其尺寸为
Figure BDA0002349016910000021
长度为1500-4200；电热镦过程中，电热镦温度控制在980-1080℃之间；为确保有合适锻造比，需要控制电热镦成形形状，电热镦部分横截面积与磨光圆材料横截面积的比值控制在4-6之间，即镦锻比控制在4-6之间。
进一步的，所述步骤1中，电热镦结束后，可选用热件保温或冷件保温，所述热件保温为在电热镦结束后立即进行二次加热保温；所述冷件保温为或电热镦结束后先空冷后在进行保温。虽然冷件保温与热件保温时间不一致，但均能够达到产品加工要求，根据设备是否使用饱和选择冷件保温或热件保温工艺。
进一步的，所述步骤2中，二次加热炉的炉膛深度为600，炉膛直径为350，设定温度区间为20-1350℃。
进一步的，所述步骤3中，通过大吨位油压机对始锻温度在1030-1050℃的电热镦件进行模锻成形；
所述大吨位油压机为7000T油压机；油压机的模具分为上模具和下模具，所述上模具根据工艺场景具有三种可进行快速换模、可进行任意组合搭配的结构，包括上模座及通过紧固件安装于上模座内的模芯，所述模芯根据其形状分别为平模、凸模及凹模；
当气阀盘径小于400mm时，所述上模具使用顺序为首先采用凸模再配合平模完成模锻压形，当气阀盘径达到550mm时，所述上模具使用顺序为首先采用平模后使用凸模再使用平模接着使用凹模最后配合平模完成模锻压形，不同规格船用低速柴油机气阀模锻成形以填充模具型腔、产生大变形促进晶粒细化为目标，组合上模具完成压形，下模具即符合工艺设计要求的船用低速柴油机气阀外形尺寸模具；油压机滑块下压可进行不同位移的设定以满足模锻成形需要；锻件终锻温度控制在950-980℃。
所述上模具共三副，分别是平模、凸模、凹模，其高度一致，凹模凹陷部分表面以R81.8，附图中R1示意和R90.5附图R2示意的两段曲面相切而成，其中R2曲面与凹模下表面相切，凹模凹陷部分深度为30mm、凸模凸出部分表面以R137.9，附图R3示意和R112.9，附图R4示意的两段曲面相切而成，其中R4曲面与凸模下平面相切，R1、R2、R3、R4的尺寸通过有限元分析软件模拟分析后设计，确保锻造过程中不会产生折叠等缺陷。
所述上模具使用时，通过有限元分析软件模拟分析，凸模的突出部分最大直径为最大气阀盘径的0.65倍，最大气阀半径为
Figure BDA0002349016910000031
凸模的设计主要为了针对不同产品，下压深度不同导致的凹坑形状大小不同，在使用凹模或平模时不会产生缺陷，凹模的最大凹陷直径为凸模突出部分最大直径的0.5倍，从而在高温塑性变形的条件下，平缓过渡，避免折叠的产生，此外，可以确保电热镦件充填模具型腔，使气阀局部产生大变形从而使晶粒细化，当气阀直径超过400mm时，使用凸模或者凹模。
理化力学性能指标应符合表2的规定：
Figure BDA0002349016910000041
表2
微观组织要求：晶粒度≥4级，组织均匀；
理化力学性能及微观组织检验部位图见附图，T1、T2为杆身的力学性能检验试棒，T3、T4、T5、T6、T7为盘部锻造部位不同角度和部位的力学性能检验试棒，规格均为D10，T8为微观组织检验试块，盘部锻造部位要求组织均匀。
本发明的创新点在于：
镍基超合金船用低速柴油机气阀制坯成形工艺主要创新点有以下三点：
①Nimonic 80A船用低速柴油机气阀制坯采用电热镦成形+二次加热+模锻成形一次锻造成形，锻件尺寸精确，内部微观组织质量稳定；
②通过电热镦过程的电热镦温度控制在980-1080℃之间；电热镦部分直径的平方与磨光圆材料直径的平方比控制在4-6之间；克服控制Nimonic 80A镍基超合金材料在电热镦过程中塑性降低、变形抗力大等因素，保证电热镦件的晶粒度≥5级；
③通过二次加热，基本保证电热镦件内外温度均匀，严格控制始锻温度，符合可锻温度区间，避免锻造过程中开裂、折叠、晶粒异常长大等现象；
④通过机械手搬运，控制电热镦件从加热炉搬运至压机模具的时间，控制始锻温度在可锻温度区间，设计专用上模具，包括上凸模、上凹模、上平模三幅模具，可以进行任意组合，完成不同规格产品的模锻成形；
本发明采用电热镦成形+二次加热+模锻成形，选取合适的成形工艺，一次完成船用低速柴油机气阀的毛坯制作，锻件外形、尺寸及允许偏差符合图纸标注尺寸，高温、常温拉伸性能、硬度、冲击等机械性能一次检验合格，锻件锻造部位晶粒度细于4级，组织均匀；填补国内空白。
附图说明：
图1是本发明的具体实施方案图。
图2是本发明的电热镦成形原理图。
图3是本发明的二次加热成形示意图。
图4是本发明的模锻成形示意图。
图5是本发明的金相组织图片1(100倍)。
图6是本发明的金相组织图片2(100倍)。
图7是本发明的平模结构示意图。
图8是本发明的凸模结构示意图。
图9是本发明的凹模结构示意图。
图10是本发明的检验部位图。
图11是图10的A-A向视图。
其中，1-顶镦缸，2-顶镦杆，3-杆坯，4-夹持电极，5-砧子电极，6-砧子缸，7-电热镦机，8-二次加热炉，9-油压机，10-压机操控台，11-炉盖，12-垫座，13-棒料。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明做详细的说明：
本发明采用电热镦成形+二次加热+模锻成形，选取合适的成形工艺，一次完成船用低速柴油机气阀的毛坯制作，具体步骤如下：
步骤1、电热镦成形工艺，棒料通过机械手送入电热镦机，通过夹持电极夹紧棒料，砧子电极通过砧子缸向棒料方向运动，与棒料接触后进行通电加热，同时顶镦杆在顶锻缸的驱动下推动棒料向砧子缸方向运动，进行局部加热镦锻成形，根据体积不变原则，依据模具型腔所需填充量设定顶锻缸位移。
步骤2、二次加热工艺，采用二次加热炉进行二次加热操作，将棒料的端部送入炉膛内，放置于炉膛内的垫座上，并通过调节垫座的高度以满足不同尺寸的棒料，最后盖紧炉盖以防止热量散出，棒料的杆部伸出炉盖外。
通过二次加热炉控制前述步骤中的电热镦件的始锻温度为1030-1050℃之间，二次加热温度根据不同电热镦件直径设定保温锻和保温时间，按照10-15s每毫米计算加热时间，加热温度根据始终锻温度设置，加热方式可以分为电热镦结束后直接进加热炉加热和电热镦结束后冷却再进入加热炉加热两种方式，冷却后的工件进入加热炉，保温时间需要增加15-30min。
步骤3、模锻成形工艺，通过大吨位油压机9对始锻温度在1030-1050℃的电热镦件进行模锻成形，其中油压机通过压机操控台控制。
实施例1：
①电热镦成形：
磨光圆材料规格为：Nimonic 80A；φ45mm；长度1600mm；
模具型腔体积为1463150mm3，根据体积不变原则，电热镦聚料尺寸为920mm，电热镦过程为电—热—结构多场动态耦合过程，为确保有合适锻造比，需要控制电热镦成形形状，电热镦部分横截面积与磨光圆材料横截面积的比值控制在4-6之间，即镦锻比控制在4-6之间，通过调整电流和顶锻速度等工艺参数，并通过计算分析，使电热镦成形尺寸为φ95，长度为206；电热镦成形过程控制电热镦最高温度为1060℃，控制电热镦过程最低温度为1000℃；电热镦结束后杆坯如图2所示立即进行二次加热；
②二次加热：一般根据电热镦件直径尺寸，按照10-15s每毫米计算加热时间，加热温度根据始终锻温度设置：
二次加热的温度设置为第一阶段1000℃，保温20min，第二阶段1050℃，保温20min；保温结束后由机械手搬运至压机模具里，进行模锻，搬运时间为12s；
③模锻成形
模锻成形下模具选用符合产品尺寸设计规则的模具，上模具选用平模一次下压成形，终锻温度950-980℃；
④检验
化学成分检验结果见表3
Figure BDA0002349016910000071
表3
力学性能检验见表4
Figure BDA0002349016910000072
表4
晶粒度检验为7级，图5金相组织照片(100倍)，图6金相组织照片(500倍)；
实施例2：
①热镦成形：
磨光圆材料规格为：Nimonic 80A；φ80mm；长度2450mm。模具型腔的体积为6283000mm3，根据体积不变原则，电热镦聚料尺寸为1250mm，为确保有合适锻造比，需要控制电热镦成形形状，电热镦部分横截面积与磨光圆材料横截面积的比值控制在4-6之间，即镦锻比控制在4-6之间，通过调整电流和顶锻速度等工艺参数，并通过计算分析，设计电热镦成形尺寸为φ170，长度为277；电热镦成形过程控制电热镦最高温度为1070℃，控制电热镦过程最低温度为1000℃；电热镦结束后空冷，冷却后进行二次加热。
②二次加热：一般根据电热镦件直径尺寸，按照10-15s每毫米计算加热时间，加热温度根据始终锻温度设置。
二次加热的温度设置为第一阶段1000℃，保温45min，第二阶段1050℃，保温30min；保温结束后由机械手搬运至压机模具里，进行模锻，搬运时间为13s；
③模锻成形
模锻成形下模具选用符合产品尺寸设计规则的模具，上模具选用平模+凸模+平模三次下压成形，根据工艺需求分别设置不同的下压量，终锻温度950-980℃。
④检验
化学成分检验结果见表3
Figure BDA0002349016910000081
表3
力学性能检验见表4
Figure BDA0002349016910000082
表4
晶粒度检验为6级。
实施例3：
①电热镦成形：
磨光圆材料规格为：Nimonic 80A；φ115mm；长度4200mm。
模具型腔的体积为6283000mm3，根据体积不变原则，电热镦聚料尺寸为2500mm，为确保有合适锻造比，需要控制电热镦成形形状，电热镦部分横截面积与磨光圆材料横截面积的比值控制在4-6之间，即镦锻比控制在4-6之间，通过调整电流和顶锻速度等工艺参数，并通过计算分析，设计电热镦成形尺寸为φ250，长度为529；电热镦成形过程控制电热镦最高温度为1080℃，控制电热镦过程最低温度为1000℃；电热镦结束后立即进行二次加热。
②二次加热：一般根据电热镦件直径尺寸，按照10-15s每毫米计算加热时间，加热温度根据始终锻温度设置；
二次加热的温度设置为第一阶段1000℃，保温40min，第二阶段1050℃，保温30min；保温结束后由机械手搬运至压机模具里，进行模锻，搬运时间为15s；
③模锻成形
模锻成形下模具选用符合产品尺寸设计规则的模具，上模具选用平模+凸模+凹模+平模四次下压成形，根据工艺需求分别设置不同的下压量，终锻温度950-980℃；
④检验
化学成分检验结果见表3
Figure BDA0002349016910000091
表3
力学性能检验见表4
Figure BDA0002349016910000092
表4
晶粒度检验为5级；
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，都应该被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.镍基超合金船用低速柴油机气阀制坯成形工艺，其特征在于：依次由电热镦成形、二次加热及模锻成形的步骤组成，在过程中通过机械手搬运工件，完成船用低速柴油机一次锻造成形；
具体步骤如下：
步骤1、电热镦成形工艺，棒料通过机械手送入电热镦机，通过夹持电极夹紧棒料，砧子电极通过砧子缸向棒料方向运动，与棒料接触后进行通电加热，同时顶镦杆在顶锻缸的驱动下推动棒料向砧子缸方向运动，进行局部加热镦锻成形，根据体积不变原则，依据模具型腔所需填充量设定顶锻缸位移；
步骤2、二次加热工艺，通过二次加热炉控制前述步骤中的电热镦件的始锻温度为1030-1050℃之间，二次加热温度根据不同电热镦件直径设定保温锻和保温时间，按照10-15s每毫米计算加热时间，加热温度根据始终锻温度设置，加热方式可以分为电热镦结束后直接进加热炉加热和电热镦结束后冷却再进入加热炉加热两种方式，冷却后的工件进入加热炉，保温时间需要增加15-30min；
步骤3、模锻成形工艺，通过大吨位油压机对始锻温度在1030-1050℃的电热镦件进行模锻成形。
2.根据权利1所述的镍基超合金船用低速柴油机气阀制坯成形工艺，其特征在于：所述步骤1中，电热镦所需棒料为磨光圆材料，其尺寸为
Figure FDA0002349016900000011
长度为1500-4200；电热镦过程中，电热镦温度控制在980-1080℃之间；为确保有合适锻造比，需要控制电热镦成形形状，电热镦部分横截面积与磨光圆材料横截面积的比值控制在4-6之间，即镦锻比控制在4-6之间。
3.根据权利2所述的镍基超合金船用低速柴油机气阀制坯成形工艺，其特征在于：所述步骤1中，电热镦结束后，可选用热件保温或冷件保温，所述热件保温为在电热镦结束后立即进行二次加热保温；所述冷件保温为或电热镦结束后先空冷后在进行保温。
4.根据权利1所述的镍基超合金船用低速柴油机气阀制坯成形工艺，其特征在于：所述步骤3中，通过大吨位油压机对始锻温度在1030-1050℃的电热镦件进行模锻成形；
所述大吨位油压机为7000T油压机；油压机的模具分为上模具和下模具，所述上模具根据工艺场景具有三种可进行快速换模、可进行任意组合搭配的结构，包括上模座及通过紧固件安装于上模座内的模芯，所述模芯根据其形状分别为平模、凸模及凹模；
当气阀盘径小于400mm时，所述上模具使用顺序为首先采用凸模再配合平模完成模锻压形，当气阀盘径达到550mm时，所述上模具使用顺序为首先采用平模后使用凸模再使用平模接着使用凹模最后配合平模完成模锻压形，不同规格船用低速柴油机气阀模锻成形以填充模具型腔、产生大变形促进晶粒细化为目标，组合上模具完成压形，下模具即符合工艺设计要求的船用低速柴油机气阀外形尺寸模具；油压机滑块下压可进行不同位移的设定以满足模锻成形需要；锻件终锻温度控制在950-980℃。
5.根据权利4所述的镍基超合金船用低速柴油机气阀制坯成形工艺，其特征在于：所述上模具共三副，分别是平模、凸模、凹模，其高度一致，凹模凹陷部分表面以R1和R2两段曲面相切而成，其中R2曲面与凹模下表面相切，凹模凹陷部分深度为30mm、凸模凸出部分表面R3和R4两段曲面相切而成，其中R4曲面与凸模下平面相切，R1、R2、R3、R4的尺寸通过有限元分析软件模拟分析后设计，确保锻造过程中不会产生折叠等缺陷；
所述上模具使用时，通过有限元分析软件模拟分析，凸模的突出部分最大直径为最大气阀盘径的0.65倍，最大气阀半径为
Figure FDA0002349016900000021
凸模的设计主要为了针对不同产品，下压深度不同导致的凹坑形状大小不同，在使用凹模或平模时不会产生缺陷，凹模的最大凹陷直径为凸模突出部分最大直径的0.5倍，从而在高温塑性变形的条件下，平缓过渡，避免折叠的产生，此外，可以确保电热镦件充填模具型腔，使气阀局部产生大变形从而使晶粒细化，当气阀直径超过400mm时，使用凸模或者凹模。
6.根据权利1所述的镍基超合金船用低速柴油机气阀制坯成形工艺，其特征在于：船用低速柴油机气阀通过机械手进行工件的搬运动作，包括电热镦结束后电热镦件搬运进加热炉进行二次加热，二次加热结束后电热镦件搬运进油压机模具，电热镦件进入模具后，按设定程序运行进行模锻，模锻结束后由机械手搬运至落料仓位，二次加热结束后电热镦件搬运进油压机模具的时间控制在小于15s，以满足始锻温度1030-1050℃的需求。
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