CN112345378B - 一种半固态液芯锻造热模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料研发及加工领域，提供了一种半固态液芯锻造热模拟装置及方法，该装置包括锻造上模、锻造室、隔热单元、圆环形阶梯式试样台、加热及温控系统、冷却及控制系统及压力位移数据采集处理系统；圆环形阶梯式试样台用于分层放置试样，各层试样通过隔热单元隔开；隔热单元将圆环形阶梯式试样台分割为若干个独立空间；锻造上模对试样进行加压锻造；加热及温控系统控制各层试样的加热温度及时间；冷却及控制系统控制锻造后各层试样的冷却速率；压力位移数据采集处理系统测量记录各层试样的压力及位移数据。本发明可一次性进行多个工艺参数条件下试样的锻造实验，得到多个试样的应力应变曲线，可用于快速筛选最优试样及锻造工艺参数。

Description

一种半固态液芯锻造热模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及材料研发及加工领域，特别涉及一种半固态液芯锻造热模拟装置及方法。

背景技术

大型锻件属于热加工产品，主要用于重型装备关键零部件研制，是我国经济建设、国防工业以及现代科学事业发展的重要基础，它的生产能力与技术水平决定着国家重工业发展水平，因此提高大型锻件的产品质量和使用寿命，保证其运行过程中的安全性和稳定性具有非常重要的意义。

大型锻件通常由大型钢锭锻造得到，这样的大型铸锭内部不可避免的出现一些浇注、凝固过程中经常出现的缺陷，如非金属夹杂、空洞、显微缩孔、疏松、组织偏析等。锻件越大，钢锭就越大，其内部原有的缺陷的种类和数量就越多，这些缺陷的存在加大了锻造以及锻后热处理等工艺的难度。其中锻件中的缩孔和缩松一部分在锻造过程中压实和焊合，另一部分则以显微缝隙或孔洞的形式存在于大锻件中。这些缺陷的存在破坏了材料的连续性和均质性，严重影响锻件的组织和性能，这样就很难经过锻造获得优质的大锻件产品。

为了消除锻件心部显微裂缝、空洞等缺陷，提高锻件组织性能的均匀性，许多学者长期致力于消除心部显微裂缝或孔洞和改善显微偏析工艺的研究。目前WHF、FM、JTS、NFM等方法已应用于工业生产。这些工艺一定程度上改善了锻件心部的应力、应变状态，促进了孔洞的闭合，减小了裂纹出现的可能性，是锻件组织性能得到的显著提高。然而由于大锻件尺寸大，缩孔、疏松等缺陷分布也更为复杂，这些工艺不足以消除这些严重复杂的缺陷，因此为了彻底消除钢锭内部缺陷，需要开发一种新的锻造方法。

目前大锻件主要通过传统工艺进行锻造生产。一般将浇注的钢锭在钢锭模中冷却至300-500℃，为了避免冷却至室温时发生开裂，需要进行长时间的消应力退火，然后通过梯度加热，是钢锭内外温度均达到1200℃以上，然后再进行锻造，加工周期非常长。近年来，得益于连铸坯生产中广泛应用的轻压下技术启发，大锻件的液芯锻造技术受到广泛关注。大锻件的液芯锻造一般通过超高温脱模得到钢锭表面1100℃左右，钢锭心部1300-1450℃左右的液芯钢锭，通过保温车均热1-2小时后，运至锻压机进行锻造，锻造过程中通过宽砧大变形、高温保压等将钢锭锻造至最终锻件尺寸。液芯锻造技术可以显著改善锻件组织性能，但由于锻造温度高，锻件尺寸大、变形复杂等特点，大锻件的研发成本高，周期长。

发明内容

本发明的目的就是解决现有技术的不足，提供了一种半固态液芯锻造热模拟装置及方法，模拟液芯锻造过程中镦粗的过程，研究半固态液芯锻造过程中由内到外的不同温度层坯料的成形性，不仅可为材料锻造模拟提供基础数据，还可以验证材料半固态液芯锻造结果，从而快速筛选最优试样及其锻造工艺参数。

本发明采用如下技术方案：

一种半固态液芯锻造热模拟装置，包括锻造上模、锻造室、隔热单元、圆环形阶梯式试样台、加热及温控系统、冷却及控制系统及压力位移数据采集处理系统；

所述圆环形阶梯式试样台，用于分层放置试样，每层试样均匀放置在圆环形阶梯试样凹槽中，各层试样之间通过所述隔热单元隔开；所述隔热单元将所述圆环形阶梯式试样台分割为若干个独立空间；所述圆环形阶梯式试样台设置于所述锻造室内；

所述锻造上模，用于对所述试样进行加压锻造；

所述加热及温控系统，用于控制各层试样的加热温度及时间；

所述冷却及控制系统，用于控制锻造后各层试样的冷却速率；

所述压力位移数据采集处理系统，用于测量、记录及处理各层试样的压力及位移数据。

进一步的，所述圆环形阶梯式试样台通过定位卡槽内置于所述锻造室内。

进一步的，所述锻造上模上设置有多个锻造短柱，所述锻造短柱通过压力传感器与锻造上模连接，用于为对应的试样提供锻造压力，并通过压力传感器测定每个试样的压力；所述锻造上模还设置有位移传感器，用于测量所述锻造上模的整体位移量。

进一步的，所述锻造上模固定在液压机上砧板上，所述锻造室固定在液压机的工作台上；所述锻造上模上设置4个行程导杆，所述锻造上模在4个所述行程导杆的引导下对试样进行加压锻造。

进一步的，所述液压机采用2000KN四柱液压机，可以设定上滑块压下行程和压下速率。

进一步的，所述加热及温控系统采用圆环电阻丝加热不同层的试样。

进一步的，所述隔热单元采用陶瓷纤维隔热板，最高使用温度1600℃。

进一步的，所述圆环形阶梯式试样台呈n层圆环状，内层高度高于外层，呈阶梯式分布；由内到外每层样品台上分别设置4个，8个，12个，24个，…，直径12mm，深度1mm的试样凹坑，用于放置样品；所述圆环形阶梯式试样台相邻层阶梯的高度差为2mm，n大于2。

进一步的，所述圆环形阶梯式试样台包括4层试样，最内层试样的目标加热温度为钢锭液相温度，第二层试样的目标加热温度为钢锭半固态温度，第三层试样的目标加热温度为钢锭的始锻温度，外层试样的目标加热温度为钢锭外侧温度。

进一步的，所述压力传感器设有2n(1+n)个，分别安置在锻造上模，连接锻造短柱，用于测量每个试样对应上模的压力。

进一步的，所述冷却及控制系统采用气流冷却，通过对各层试样通入不同的气流量，控制不同层试样的冷却速率。

本发明还提供了一种半固态液芯锻造热模拟方法，使用上述的半固态液芯锻造热模拟装置进行，所述方法包括如下步骤：

S1、将多个同一成分，同一直径为a(小于12mm)，高度分别为b，b+2，b+4，b+6…，的圆柱试样，由内到外排列放置在锻造室的圆环形阶梯式试样台试样凹槽中，通过隔热单元将每层试样分开，每层试样的加热、冷却互不影响；b为最内层圆柱试样高度；

S2、设置每层试样的目标锻造温度、升温速率，加热各层试样到目标温度，各层试样保温时间相同；

S3、对液压机的上砧板和试样进行定位，设置上砧板的压下行程和行程速率，开启压力位移数据采集处理系统；

S4、保温结束后，开启锻造程序，按照预先设定的压下行程和行程速率进行锻造实验；

S5、锻造实验结束后，开启冷却及控制器系统，模拟钢锭冷却过程，使每层试样按照不同的冷却速率冷却到室温，取出试样，锻造实验结束；

S6、通过压力位移数据采集处理系统得到每个试样的应力应变曲线；

S7、对各层试样进行金相显微镜检测，模拟半固态液芯锻造过程中由内到外的不同位置的组织、性能。

进一步的，步骤S7中，将每一层的试样用环氧树脂镶样，经过砂纸研磨和金刚石抛光膏抛光后，利用金相显微镜进行试样检测。

进一步的，所述方法还包括：

S8、根据步骤S6得到的试样应力应变曲线，及步骤S7得到的半固态液芯锻造过程中由内到外的不同位置的组织、性能，筛选最优试样及锻造工艺参数。

本发明的有益效果为：

本发明同时将多个试样放在锻造室的圆环形阶梯式试样台上，相邻试样台上的试样具有不同的锻造工艺参，每个试样台上的试样都拥有独立的温控系统及冷却控制系统，且采用隔热装置，形成n个相对封闭的独立空间，彼此之间互不影响。通过温控系统调控锻造温度和阶梯式试样台，进而一次性进行多个工艺参数条件下试样的锻造实验，得到多个试样的应力应变曲线，可用于快速筛选最优试样及锻造工艺参数。

附图说明

图1所示为本发明实施例一种半固态液芯锻造热模拟装置的结构示意图。

图2所示为实施例中锻造室的结构示意图。

图3所示为实施例中锻造室的正视剖面示意图。

图4所示为实施例中锻造室的俯视剖面示意图。

图5所示为实施例中锻造上模的结构示意图。

其中：1-锻造上模；2-锻造室；3-液压机；4-行程导杆；5-隔热单元；6-试样；7-圆环形阶梯式试样台；8-圆环电阻丝；9-位移传感器；10-压力传感器；11-压力位移数据采集处理系统；12-(电阻)加热及温控系统；13-(气流)冷却及控制系统。

具体实施方式

下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。

如图1-图5所示，本发明实施例一种半固态液芯锻造热模拟装置，包括锻造上模1、锻造室2、隔热单元5、圆环形阶梯式试样台7、加热及温控系统12、冷却及控制系统13及压力位移数据采集处理系统11；优选的，加热采用圆环电阻丝8；冷却采用气流冷却。

在本实施例中，圆环形阶梯式试样台7由隔热单元5分隔成4个独立的空间，每个空间分别放置多个试样6，且每个空间都有各自独立电阻加热及温控，可以控制目标加热温度及保温时间。

优选的，所述圆环形阶梯式试样台7，相邻的圆环阶梯高度差一样，同一阶梯高度一样。圆环形阶梯式试样台7的控制工艺参数可以是试样变形温度、变形量、材料成分中的任何两个，可以方便一次性研究两个不同锻造工艺参数对试样组织、性能的影响。

优选的，所述隔热单元5采用陶瓷纤维隔热板，将试样6分割成4个相对封闭的独立空间，避免彼此之间温度的相互影响。

所述(气流)冷却及其控制系统13集合了气流冷却系统和控制系统，控制系统通过调节气体流量控制试样的冷却速率。

在本实施例中，所述压力传感器10设有48个，分别安置在锻造上模1的锻造短柱上，用于测量每个试样6对应锻造上模1的压力。所述位移传感器9安置在锻造上模1用于测量锻造上模1的位移量。所述锻造上模1设置有多个锻造短柱，所述锻造短柱与试样6对应设置。所述锻造上模1固定在液压机3上砧板上，所述锻造室2固定在液压机3的工作台上；所述锻造上模1上设置4个行程导杆4，所述锻造上模1在4个所述行程导杆4的引导下对试样6进行加压锻造。

所述压力位移数据采集处理系统11用于记录传感器9、10测得的压力和位移，并将位移和压力一一对应生成应力应变曲线。

本发明实施例一种半固态液芯锻造热模拟方法，包括如下步骤：

S1、将锻造上模1固定在液压机3的上砧板(滑块)上，将锻造室2固定在液压机3工作台上，使得锻造上模1可以在行程导杆4的引导下上下移动；将同一成分，同一直径为a(比如a＝10mm)，高度分别为b，b+2，b+4，b+6(比如b＝8mm)的圆柱试样6，由内到外排列放置在锻造室2的圆环形阶梯式试样台7上，通过隔热单元5将每层试样6分开，每层试样6的加热、冷却互不影响；

S2、通过电阻加热及控温系统12，设置圆环形阶梯式试样台7的目标加热温度由内到外(1350℃、1250℃、1150℃、1050℃等)，保温时间相同；

S3、开通电源，开始按照控温程序加热，直至加热到目标温度，保温一定时间(比如1min)；

S4、对锻造上模1和锻造室2进行定位(比如锻造上模1下表面距离最近的试样30mm)，根据试样6最大压下量(比如最大压下量6mm)，设定锻造上模1的压下行程和行程速率；同时开启压力位移数据采集处理系统11；开启液压机3电源，使得锻造上模1按照设定的压下行程和行程速率运动；

S5、锻造热模拟实验结束后，通过气流冷却及控制系统13，设置每个圆环形阶梯式试样台7区域的冷却气流量(可以为4L/min、3L/min等)，开启气流冷却系统，将试样独立冷却到室温。

S6、通过压力位移数据采集处理系统11得到每个试样6的应力应变曲线；

S7、试样6完全冷却后，取出试样6，用环氧树脂镶样，经过砂纸研磨和金刚石抛光膏抛光后，利用不同的实验设备(如金相显微镜)，从而高通量表征不同锻造工艺参数对试样组织、性能的影响。

实施例

本实施例以45#钢为例来说明半固态液芯锻造热模拟方法。本实施例的具体步骤如下

S1、将锻造上模1固定在液压机3的滑块上，将锻造室2固定在液压机3工作台上，使得锻造上模1可以在行程导杆4的引导下上下移动；分别将4个φ10×8mm，8个φ10×10mm，12个φ10×12mm，24个φ10×14mm的试样6，由内到外排列放置在锻造室2的圆环形阶梯式试样台7上，通过隔热单元5将每层试样6分开；

S2、由内到外每层试样6的加热温度分别为1350℃，1250℃，1150℃，1050℃，均热保温时间为30s。

S3、开通加热电源，加热到目标温度，均热保温30s，切断加热电源；对锻造上模1和锻造室2进行定位，使得锻造上模1下表面距离试样10mm，设置试样6最大压下量5，其中圆环形阶梯式试样台7中相邻试样台高度差2mm，则锻造上模1的压下行程为15mm，另外设定锻造上模1行程速度为1mm/s；同时开启压力位移数据采集处理系统11。

S4、开启液压机3电源，按照设定的压下行程和行程速度，运行液压机3。

S5、锻造结束后，将锻造上模1向上移动一定距离，开启气流冷却及控制系统13使试样6快速冷却至室温。取出试样6，半固态液芯锻造试验结束；

S6、通过压力位移数据采集处理系统11得到不同试样的应力应变曲线，从而表征不同压下量、不同变形温度对压力的影响；

S7、将这48个试样6用环氧树脂镶样，经过砂纸研磨和金刚石抛光膏抛光处理后，利用金相显微镜观察显微组织，表征不同压下量、不同变形温度对微观组织的影响。

S8、根据步骤S6得到的试样6应力应变曲线，及步骤S7得到的半固态液芯锻造过程中由内到外的不同位置的组织、性能，筛选最优试样及锻造工艺参数。

需要说明的是，圆环形阶梯式试样台7不仅仅限定于4层，可根据实际需要调整；同样的，试样6的尺寸、数量均可以根据实际情况确定。上述实施例只是给出了一种具体实施方式，并不用于限定本发明的保护范围。

本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (9)

1.一种半固态液芯锻造热模拟装置，其特征在于，所述装置包括锻造上模、锻造室、隔热单元、圆环形阶梯式试样台、加热及温控系统、冷却及控制系统、压力位移数据采集处理系统；

所述圆环形阶梯式试样台，用于分层放置试样，每层试样均匀放置在圆环形阶梯试样台上，各层试样之间通过所述隔热单元隔开；所述隔热单元将所述圆环形阶梯式试样台分割为若干个独立空间；所述圆环形阶梯式试样台设置于所述锻造室内；

所述锻造上模，用于对所述试样进行加压锻造；

所述加热及温控系统，用于控制各层试样的加热温度及时间；

所述冷却及控制系统，用于控制锻造后各层试样的冷却速率；

所述压力位移数据采集处理系统，用于测量、记录及处理各层试样的压力及位移数据；

所述圆环形阶梯式试样台呈n层圆环状，内层高度高于外层，呈阶梯式分布；由内到外每层样品台上分别设置4个，8个，12个，24个，…，直径12mm，深度1mm的试样凹坑，用于放置样品；所述圆环形阶梯式试样台相邻层阶梯的高度差为2mm，n大于2。

2.如权利要求1所述的半固态液芯锻造热模拟装置，其特征在于，所述锻造上模设置有多个锻造短柱，所述锻造短柱通过压力传感器与锻造上模连接，用于为对应的试样提供锻造压力并通过压力传感器测定每个试样的压力；所述锻造上模还设置有位移传感器，用于测量所述锻造上模的整体位移量。

3.如权利要求1所述的半固态液芯锻造热模拟装置，其特征在于，所述锻造上模固定在液压机上砧板上，所述锻造室固定在液压机的工作台上；所述锻造上模上设置4个行程导杆，所述锻造上模在4个所述行程导杆的引导下对试样进行加压锻造。

4.如权利要求1所述的半固态液芯锻造热模拟装置，其特征在于，所述加热及温控系统采用圆环电阻丝加热不同层的试样。

5.如权利要求1所述的半固态液芯锻造热模拟装置，其特征在于，所述隔热单元采用陶瓷纤维隔热板。

6.如权利要求1所述的半固态液芯锻造热模拟装置，其特征在于，所述圆环形阶梯式试样台包括4层试样，最内层试样的目标加热温度为钢锭液相温度，第二层试样的目标加热温度为钢锭半固态温度，第三层试样的目标加热温度为钢锭的始锻温度，最外层试样的目标加热温度为钢锭外侧温度。

7.如权利要求1所述的半固态液芯锻造热模拟装置，其特征在于，所述冷却及控制系统集合了气流冷却系统和控制系统，控制系统通过对各层试样通入不同的气流量，控制不同层试样的冷却速率。

8.一种半固态液芯锻造热模拟方法，其特征在于，使用如权利要求1-7任一项所述的半固态液芯锻造热模拟装置进行，所述方法包括如下步骤：

S1、将多个同一成分，同一直径为a，高度分别为b，b+2，b+4，b+6…，的圆柱试样，由内到外排列放置在锻造室的圆环形阶梯式试样台试样凹槽中，通过隔热单元将每层试样分开，每层试样的加热、冷却互不影响；其中a小于12mm，b为最内层圆柱试样高度；

S2、设置每层试样的目标锻造温度、升温速率，加热各层试样到目标温度，各层试样保温时间相同；

S3、对液压机的上砧板和试样进行定位，设置上砧板的压下行程和行程速率，开启压力位移数据采集处理系统；

S4、保温结束后，开启锻造程序，按照预先设定的压下行程和行程速率进行锻造实验；

S5、锻造实验结束后，开启冷却及控制器系统，模拟钢锭冷却过程，使每层试样按照不同的冷却速率冷却到室温，取出试样，锻造实验结束；

S6、通过压力位移数据采集处理系统得到每个试样的应力应变曲线；

S7、对各层试样进行金相显微镜检测，模拟半固态液芯锻造过程中由内到外的不同位置的组织、性能。

9.如权利要求8所述的半固态液芯锻造热模拟方法，其特征在于，所述方法还包括：

S8、根据步骤S6得到的试样应力应变曲线，及步骤S7得到的半固态液芯锻造过程中由内到外的不同位置的组织、性能，筛选最优试样及锻造工艺参数。

Images