CN112828217A - 减小电镦端面下沉深度以改善混晶的增材调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属材料塑性成型技术领域，具体公开了减小电镦端面下沉深度以改善混晶的增材调控方法，在坯料与砧子电极接触一端的端部外圈上形成增材，并对该端部进行倒圆角，后进行电镦成型加工处理，其中所用增材材料的电阻率小于坯料材料，且增材材料的变形难度要大于坯料材料。采用本专利的调控方法实现了坯料前端材料变形均匀的目标，同时有效地减少坯料端部下沉深度，细化了坯料前端的晶粒，并使得晶粒趋于均匀化，在提升工件坯料的质量以及使用性能的同时，还具备成型加工的经济性，无需去除过多的坯料。

Description

减小电镦端面下沉深度以改善混晶的增材调控方法
技术领域
本发明涉及金属材料塑性成型技术领域，特别涉及减小电镦端面下沉深度以改善混晶的增材调控方法。
背景技术
电镦工艺是电、热、结构三场耦合的复杂局部精确聚料制坯工艺，常用于需具有高强韧、耐高温、耐蚀等力学、化学性能与局部超大变截面的长杆制件的加工成型。在电极端部施加可变直流电，砧子电极与坯料间的接触电阻及坯料自身电阻在电流的作用下大量产热，实现坯料局部快速升温，同时在坯料的冷端面施加一定镦粗力，当温度升至热塑性变形温度上时，已加热部位产生局部连续镦粗变形。
在电镦成型时，尤其是大型件的成型时，为了获得所要求的“蒜头”直径，往往需要较大的镦粗力和加载电流，若聚料多，变截面大，所需的镦粗力和加载电流还会更大，这会造成坯料前端的下沉缺陷，通常用端面下沉的深度来评价端面的下沉缺陷，在传统的电镦工艺中，下沉缺陷的深度通常用砧子电极到下沉中心的距离表示。
下沉缺陷的存在，一方面，大的下沉深度会使坯料端面晶粒分布极其不均匀(蒜头头部中心晶粒粗化，而外边缘为细晶，出现明显的混晶区域)；另一方面使坯料在后续的模锻成型时出现闭气问题。故减小下沉深度并改善晶粒不均匀分布对电镦件的质量有重大影响。
对于变截面率较大的坯料，目前传统的电镦工艺，难以从工艺参数方面改善其下沉与晶粒不均匀的问题，因此，基于上述问题本申请提出了一种新的工艺方法。
发明内容
本发明提供了减小电镦端面下沉深度以改善混晶的增材调控方法，以解决现有技术中电镦形成的“蒜头”下沉深度大，且坯料前端的晶粒分布不均匀的问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
减小电镦端面下沉深度以改善混晶的增材调控方法，在坯料与砧子电极接触一端的端部外圈上形成增材，并对该端部进行倒圆角，后进行电镦成型加工处理，其中所用增材材料的电阻率小于坯料材料，且增材材料的变形难度要大于坯料材料。
本技术方案的技术原理和效果在于：
1、采用本方案提供的方法，实现了坯料前端材料变形均匀的目标，同时有效地减少坯料端部下沉深度，细化了坯料前端的晶粒，并使得晶粒趋于均匀化，在提升工件坯料的质量以及使用性能的同时，还具备成型加工的经济性，无需去除过多的坯料。
2、本方案中由于增材材料的电阻率小于坯料材料，且增材材料的变形难度要大于坯料材料，因此在电镦过程中坯料与砧子电极接触一端端部的心部变形受到抑制，并减缓，从而使得其下沉的深度降低；另外由于电镦过程中，后续的聚料更多会聚集在与增材材料相接触的头部，使得坯料头部的直径增大，这样会使得电镦过程中头部的温度有所降低，最终使得端面的晶粒细化并趋于均匀化。
进一步，所述坯料的直径为D，长度为L，所述增材的厚度范围为0.032D～0.040D，增材的长度范围为0.024L～0.03L。
有益效果：通过实验的验证，增材限定在该范围内能够保证电镦“蒜头”下沉深度小，且端面的晶粒趋于均匀化。
进一步，所述坯料的端部与外圈均进行了增材，其中位于端部的增材厚度与位于外圈的增材厚度相同。
有益效果：采用本方案进行电镦的坯料，相比于现有技术而言，其端部下沉深度虽减小得相对较小，但其端部混晶区域的晶粒的极值差缩小，晶粒趋于均匀化。
进一步，位于坯料端部的增材的部位为：与坯料端部的圆心同心，且内径大于D/3、外径等于D的圆环处进行增材。
有益效果：采用本方案进行电镦的坯料，其端部的晶粒的极值差进一步缩小，晶粒趋于均匀化。
进一步，待电镦成型加工的坯料冷却后，去除增材，再保温进行模锻。
有益效果：这样的工艺只用去除增材即可，切除的材料相对较少。
进一步，将电镦成型加工后的坯料继续保温，并进行模锻，冷却后去除增材。
有益效果：这样的工艺不需要在电镦后冷却，能够使得工艺更加连续，且能源的消耗更低，更具备经济性。
附图说明
图1为本发明实施例1电镦的原理示意图；
图2为本发明实施例1中Ni80坯料与2Cr21NI12N增材的电阻率随温度变化的对比图；
图3为本发明实施例1中电镦形成的“蒜头”有限元模拟图；
图4为本发明实施例2中电镦形成的“蒜头”有限元模拟图；
图5为本发明实施例3中电镦形成的“蒜头”有限元模拟图；
图6为本发明对比例1中电镦形成的“蒜头”有限元模拟图；
图7为本发明实施例1～3和对比例1得到的坯料端面区域晶粒尺寸对比图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的附图标记包括：砧子缸1、砧子电极2、次级变压器3、夹持缸4、夹持电极5、坯料6、镦粗缸砧子7、增材8。
实施例1：
减小电镦端面下沉深度以改善混晶的增材调控方法，在坯料与砧子电极接触一端的端部外圈，采用电弧增材制造形成增材，其中坯料的直径D为56mm，长度L为1500mm，增材的厚度约为0.036D，即2mm，长度约为0.027L，即40mm，增材完成后对该端部进行倒圆角，倒圆角的半径为15mm，后进行电镦成型加工处理。
电镦的原理如图1所示，包括砧子缸1、砧子电极2、次级变压器3、夹持缸4、夹持电极5、坯料6和镦粗缸砧子7；在电镦时，砧子电极2与夹持电极5通过接触电阻和自身电阻加热，冷端的坯料6与增材8在镦粗缸7和砧子电极2的速度差的作用下被送入砧子电极2与夹持电极5之间的加热区域，使坯料和增材逐渐发生塑性变形，同时完成局部精准连续聚料。
本实施例中，坯料所用材料为Ni80耐热合金，增材所用的材料为2Cr21NI12N，其中Ni80的电阻率要小于2Cr21NI12N的电阻率，且2Cr21NI12N的变形难度要远高于Ni80，正是由于Ni80坯料的电阻率更大，因此当通电时，电流更多的从增材处流过，而且2Cr21NI12N变形更困难，这样在电镦过程中，后续的聚料更多会聚集在与增材材料相接触的头部，使得坯料头部的直径增大，这样会使得电镦过程中头部的温度有所降低，最终使得端面的晶粒细化并趋于均匀化，因此使用这两种材料有利于减缓坯料头部中心的变形。
电镦成型结束后，增材材料依旧在坯料的外圈，而增材是不需要使用的，故需要进行机械加工来切除增材材料，只剩坯料材料。而增材材料的去除可以在电镦完成后，也可以在电镦-模锻完成后。
由于增材只在坯料的头部，采用电镦后去除增材材料的方法，可以减小材料的去除量，并获得良好的端部形状；但是，需要待坯料冷却后才能进行加工，而后续又需要对电镦件进行保温模锻，经济性差。若在电镦-模锻完成后再进行增材材料的切除，则在电镦完成后就可以进行保温；但是模锻后需要切除的材料就相对较多。因此可根据实际情况选用方案，进行增材材料的切除。
实施例2：
与实施例1的区别在于，在坯料的端部和外圈均进行了增材，即坯料的整个端部均进行了增材，且增材的厚度均为2mm。
实施例3：
与实施例2的区别在于，在坯料端部的增材部位为，与坯料端部的圆心同心，且直径d为20mm至56mm的圆环处进行增材，增材的厚度为2mm。
对比例1：
与实施例1的区别在于，未进行增材处理，仅对坯料的端部进行倒圆角，倒圆角的半径为15mm。
1、下沉深度模拟试验
对实施例1、实施例2、实施例3以及对比例1建立电镦有限元模型进行模拟，电镦中坯料的总行程为1250mm，得到的模拟图分别如图3～图6所示，其中图3为实施例1中电镦的“蒜头”有限元模拟图；图4为实施例2中电镦的“蒜头”有限元模拟图；图5为实施例3中电镦的“蒜头”有限元模拟图；图6为对比例1中电镦的“蒜头”有限元模拟图，另外实施例1～3和对比例1中坯料端部的下沉深度如表1所示。
表1为实施例1～3和对比例1中坯料端部的下沉深度
Figure BDA0002785760040000041
Figure BDA0002785760040000051
从图3～图6以及表1可以得出，相比于对比例1(现有技术)的电镦结果，增材后的电镦结果中不仅下沉深度均有不同幅度的减小，而且温度都有10℃左右的下降，其中实施例1的下沉深度减小最为显著，减小了3.1mm，方案2的下沉深度减小相对较小，减小了0.84mm。因此，在坯料的外圈进行增材可以明显减小下沉深度。
2、晶粒细化及混晶实验
对实施例1～实施例3和对比例1的坯料端面区域进行采样，得到的晶粒尺寸对比图如图7所示，并根据最大晶粒值与最小晶粒值得出晶粒极值差，如下表2所示。
表2为实施例1～3和对比例1中坯料端部的晶粒极值对比
最大晶粒值 最小晶粒值 晶粒极值差
实施例1 44.2111 6.50902 37.70208
实施例2 41.7040 12.7721 28.9319
实施例3 40.8622 12.8115 28.0507
对比例1 53.9347 7.64708 46.28762
从上表2可以很直观的观察到，对比例1(现有技术)的极值差为46.28762，实施例1的极值差为37.70208，实施例2的极值差为28.9319，实施例3的极值差为28.0507，可以看出对比例1(现有技术)中端面区域的晶粒极值差最大，三个增材后的方案其端部的晶粒尺寸变化则较为平缓。因此结果表明实施例1～3的三种改良方案均可以使电镦端面的混晶区域的晶粒趋于均匀化，且实施例3的效果最佳。因此，可以得出在坯料端部进行增材可以明显细化电镦件端面的晶粒，并使晶粒趋于均匀化，有利于电镦件质量提升。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.减小电镦端面下沉深度以改善混晶的增材调控方法，其特征在于：在坯料与砧子电极接触一端的端部外圈上形成增材，并对该端部进行倒圆角，后进行电镦成型加工处理，其中所用增材材料的电阻率小于坯料材料，且增材材料的变形难度要大于坯料材料。
2.根据权利要求1所述的减小电镦端面下沉深度以改善混晶的增材调控方法，其特征在于：所述坯料的直径为D，长度为L，所述增材的厚度范围为0.032D～0.040D，增材的长度范围为0.024L～0.03L。
3.根据权利要求1所述的减小电镦端面下沉深度以改善混晶的增材调控方法，其特征在于：所述坯料的端部与外圈均进行了增材，其中位于端部的增材厚度与位于外圈的增材厚度相同。
4.根据权利要求3所述的减小电镦端面下沉深度以改善混晶的增材调控方法，其特征在于：位于坯料端部的增材的部位为：与坯料端部的圆心同心，且内径大于D/3、外径等于D的圆环处进行增材。
5.根据权利要求1所述的减小电镦端面下沉深度以改善混晶的增材调控方法，其特征在于：待电镦成型加工的坯料冷却后，去除增材，再保温进行模锻。
6.根据权利要求1所述的减小电镦端面下沉深度以改善混晶的增材调控方法，其特征在于：将电镦成型加工后的坯料继续保温，并进行模锻，冷却后去除增材。
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