CN114346610B - 一种大型异质金属环件构筑热轧成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型异质金属环件构筑热轧成形方法，包括如下步骤：步骤一、异质环坯单元制备：按照目标环件尺寸要求，制备金属材料A环坯单元和金属材料B环坯单元；步骤二、异质坯料整体构筑：将步骤一获得的两个异质材料的环坯单元表面机加工后进行表面清洁处理，金属材料A环坯单元的外表面和金属材料B环坯单元的内表面进行机加工和清洁处理，然对组装的异质环坯接触面表层进行封焊连接，获得整体异质坯料；步骤三、异质环件轧制成形：将步骤二获得的整体异质坯料放入加热炉中加热后尽快转移到轧环机上进行热轧成形，获得大型无缝异质金属环件。解决现有技术中生产效率低，且易出现铸造或焊接缺陷的技术问题。

Description

一种大型异质金属环件构筑热轧成形方法

技术领域

本发明涉及异质金属环件的制造方法，具体涉及一种大型异质金属环件构筑热轧成形方法。

背景技术

随着制造业快速发展，对金属材料的性能要求越来越高，单一金属已难以满足使用要求，异质金属复合逐渐受到行业和学者的重视。异质金属复合是将不同种类金属材料通过一定方法结合为一体，具有不同基体材料的良好综合性能。异质金属环件是一类重要的异质金属构件，目前在核电、石油化工、工程机械等领域有重要应用，该类环件工作条件苛刻，对性能要求较高。

异质金属环件传统制造方法主要是铸造和焊接，铸造方式主要用于材料熔点差别较大的中小尺寸异质金属环件，如在钢环内表面离心铸造一层铜合金材料；焊接方式主要采用堆焊方式在基体材料表面逐层堆焊新材料，其生产效率低，且易出现焊接缺陷。随着高端装备大型化发展需求，异质金属环件尺寸日益增大，性能要求日益提高，传统制造方法问题日益突出，亟需研发一种高性能大尺寸异质金属环件制造工艺。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供了一种大型异质金属环件构筑热轧成形方法，解决现有技术中异质金属环件传统制造方法铸造和焊接制造时，生产效率低，且易出现铸造或焊接缺陷的技术问题。

本发明具体是这样实现的：

一种大型异质金属环件构筑热轧成形方法，包括如下步骤：

步骤一、异质环坯单元制备

按照目标环件尺寸要求，准备不同材质的金属材料A和金属材料B的圆柱形棒料，对金属材料A棒料进行镦粗、冲孔和整形，获得较小直径的金属材料A环坯单元，对金属材料B棒料进行镦粗、冲孔和预轧，获得较大直径的金属材料B环坯单元；

步骤二、异质坯料整体构筑

将步骤一获得的两个异质材料的环坯单元表面机加工后进行表面清洁处理，金属材料A环坯单元的外表面和金属材料B环坯单元的内表面进行机加工和清洁处理；将金属材料A环坯单元外表面和金属材料B环坯单元内表面端贴合靠紧后组装到一起，再通过真空激光焊对组装的异质环坯接触面表层进行封焊连接，获得整体异质坯料；

步骤三、异质环件轧制成形

将步骤二获得的整体异质坯料放入加热炉中加热后尽快转移到轧环机上进行热轧成形，获得大型无缝异质金属环件。

本发明的大型异质金属环件构筑热轧成形方法：

步骤一中，根据目标大型异质金属环件的尺寸，分别设计异质环坯单元的外径、内径、高度尺寸，以及成形异质环坯单元所需的不同材质圆柱形棒料尺寸。分别按设计的棒料尺寸进行锯切下料，获得金属材料A和金属材料B的圆柱形坯料，其中金属材料A棒料用于成形内环，金属材料B棒料用于成形外环；然后将圆柱形坯料加热保温一段时间，取出坯料后分别进行镦粗、冲孔获得带小孔的金属材料A和金属材料B的环形坯料；接着对金属材料A的小孔环形坯料进行滚圆和平端面来整形，获得较小直径的金属材料A环坯单元，对金属材料B的小孔环形坯料进行预轧扩孔，获得较大直径的金属材料B环坯单元。

本发明的大型异质金属环件构筑热轧成形方法：

金属材料A棒料重量按下式计算，

式中ρ_A为材料A的密度；为加工系数，通常取0.01～0.02；V_Z为冲孔连皮体积，d_z为最小直径冲头径向尺寸，h为冲孔连皮高度，通常取h＝0.1d_z；V_A为目标环件中使用金属材料A的部分即内环的体积，/>B₁、R₂、R₁分别为目标异质金属环件的高度、分界面半径和内半径；

金属材料A棒料高度按下式计算，

式中D_A为金属材料A所选棒料的直径；

金属材料B棒料重量按下式计算，

式中ρ_B为材料B的密度；V_B为目标环件中使用材料B的部分即外环的体积，

R₃为目标异质金属环件的外半径；

金属材料B棒料高度按下式计算，

式中D_B为金属材料B所选棒料的直径；

金属材料A环坯单元的尺寸按下式计算，

式中，B_A、r_A、R_A分别为金属材料A环坯单元的高度、内半径和外半径；

金属材料B棒料镦粗、冲孔后的小孔环形坯料的尺寸按下式计算，

式中，B_B、r_B、R_B分别为金属材料B棒料镦粗、冲孔后的小孔环形坯料的高度、内半径和外半径，k_B为构筑环坯热轧成形的轴向变形比，通常取0.15～0.3；

金属材料B环坯单元尺寸按下式计算，

式中，B_B0、r_B0、R_B0分别为金属材料B环坯单元的高度、内半径和外半径；H_B0为金属材料B环坯单元的壁厚，H_B0＝H_B-(B_B-B_B0)η，其中H_B为金属材料B棒料镦粗、冲孔后的小孔环形坯料的壁厚，H_B＝R_B-r_B，η为此次轧制过程中径向与轴向变形量的比值，

本发明的大型异质金属环件构筑热轧成形方法：

金属材料A环坯单元机加工后的尺寸按下式计算，

金属材料B环坯单元机加工后的尺寸按下式计算，

本发明的大型异质金属环件构筑热轧成形方法：

步骤二中，环坯单元表面清洁处理中，金属材料A环坯单元的外表面和金属材料B环坯单元的内表面需要机加工和清洁处理，其中进行表面清洁处理时采用超声波清洗方式。

本发明的大型异质金属环件构筑热轧成形方法：

步骤二中，金属材料A环坯单元外表面和金属材料B环坯单元内表面端贴合靠紧后组装到一起之后放入真空激光焊设备中，抽真空后通过激光焊接，实现组装的异质环坯接触面表层的封焊连接。

本发明的大型异质金属环件构筑热轧成形方法：

所述步骤三中：

确定整体异质坯料加热温度时，金属材料A的始锻温度为T₁，金属材料B的始锻温度为T₂，则轧制前对异质环坯进行加热的温度T选取T₁和T₂中的较小值。

本发明的大型异质金属环件构筑热轧成形方法：

将整体异质坯料放入加热炉中，加热到温度T后保温一段时间，然后将整体异质坯料取出后尽快转移到轧环机上进行热轧成形。

本发明的大型异质金属环件构筑热轧成形方法：

热轧成形时，驱动辊作旋转轧制运动，芯辊作径向直线进给运动，锥辊作旋转端面轧制运动，在径向轧制中，环件产生径向壁厚减小、内外直径扩大、截面轮廓成形的连续局部塑性变形。

本发明的大型异质金属环件构筑热轧成形方法：

轧制过程仅沿径向轧制，有利于促进界面进一步热变形愈合，并且保证异质金属界面层满足目标环件要求，锥辊的主要作用是平端面；轧制过程至少采用两火轧制，每火次的截面变形量尽量控制在金属材料A、B两种材料中较难变形材料的临界变形量以上，通过多次轧制变形与加热保温交替的方式进一步促进界面愈合；轧制过程严格控制环件长大速度，通过控制芯辊进给速度的方式使环件实际外径长大速度逼近设计的环件外径长大速度曲线。

环件外径长大速度曲线可以按下式设计，

式中V_D为轧制过程环件外径瞬时长大速度，D为轧制过程环件瞬时外径，D₀为轧制开始环坯外径，D₀＝2R_B1，D_f为轧制结束时环件外径，D_f＝2R_B1；曲线分为六个阶段，第一阶段结束时的环件外径为D₁，D₁＝D₀+k₁(D_f-D₀)，k₁一般取0.02～0.03，第一阶段结束时的环件外径长大速度为V₁，V₁一般取2～5mm/s；第二阶段结束时的环件外径为D₂，D₂＝D₀+k₂(D_f-D₀)，k₂一般取0.05～0.07；第三阶段结束时的环件外径为D₃，D₃＝D₀+k₃(D_f-D₀)，k₃一般取0.3～0.35，第三阶段结束时的环件外径长大速度为V₂，V₂一般取10～25mm/s第四阶段结束时的环件外径为D₄，D₄＝D₀+k₄(D_f-D₀)，k₄一般取0.85～0.9；第五阶段结束时的环件外径为D₅，D₅＝D₀+k₅(D_f-D₀)，k₅一般取0.9～0.95，第五阶段结束时的环件外径长大速度为V₃，V₃一般取0.5～2mm/s，第六阶段结束时的环件外径为D_f。

本发明提出了一种大型异质金属环件构筑热轧成形方法，其有益的技术效果为：

(1)相比于单金属环件，双金属异质环件的综合力学性能有显著的提高，可以综合两种金属材料的优点及工作环境所需的性能，尤其是将普通金属与贵重金属复合，可以极大地节约材料、降低成本。

(2)采用锻造制坯再预轧的方式获得所需尺寸的异形金属环坯单元，原材料由铸态组织转变为锻态组织，改善了环坯单元的组织状态，有利于提高异质金属环件力学性能；

(3)经表面处理后进行组合并真空封焊得到异质金属构筑环坯，不仅实现界面局部预连接并且抑制加热过程界面氧化，径向轧制大变形与高温加热保温交替进行，促使界面充分愈合，实现大型异质金属无缝环件轧制成形。

附图说明

图1为本发明实施例中异质环坯单元制备流程示意图；

图2为本发明实施例中整体异质坯料制备流程示意图；

图3为本发明实施例中目标异质环件轧制成形示意图；

图4为热轧成形过程环件外径长大速度曲线示意图。

图中：1、驱动辊；2、整体异质环坯；3、芯辊；4、锥辊；5、大型异质金属环件成品。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本实施例提供的成品大型异质金属复合环件尺寸为Φ5000(外径)×Φ4750(分界面直径)×Φ4500(内径)×200mm(高度)；如图1～图3所示，异质金属复合环件的具体制备步骤如下：

1、异质环坯单元制备；根据目标环件尺寸确定异质环坯单元的外径、内径、高度尺寸，以及锻造成形异质环坯单元所需的棒料尺寸。金属材料A选用Q235低碳钢棒材，下料质量3356kg，下料尺寸Φ600×1512mm。金属材料B材料选用304不锈钢棒材，下料质量3552kg，下料尺寸Φ600×1584.2mm。Q235低碳钢棒料加热至1250℃，保温3h。304不锈钢棒料加热到1150℃，保温3h。取出坯料后进行镦粗、冲孔获得Q235低碳钢环坯单元和304不锈钢带小孔的环形坯料，再对304不锈钢带小孔环形坯料进行预轧扩孔获得所需设计尺寸的304不锈钢环坯单元。Q235低碳钢环坯单元的尺寸为Φ1780×Φ900×200mm，304不锈钢带小孔环形坯料的尺寸为Φ1650×Φ900×260mm，304不锈钢环坯单元的尺寸为Φ2358×Φ1753.2×200mm。

2、异质坯料整体构筑。将两个异质材料的环坯单元表面机加工后进行表面清洁处理，Q235低碳钢环坯单元的外表面和304不锈钢环坯单元的内表面需要机加工和清洁处理，进行表面清洁处理时采用超声波清洗方式。表面机加工和清洁处理后的Q235低碳钢环坯单元的尺寸为Φ1767×Φ900×200mm，表面机加工和清洁处理后的304不锈钢环坯单元的尺寸为Φ2358×Φ1767×200mm。将Q235低碳钢环坯单元外表面和304不锈钢环坯单元内表面端贴合靠紧后组装到一起，将组装好的整体异质坯料放入真空激光焊设备中，抽真空后通过激光焊接实现组装的异质环坯接触面表层的封焊连接，获得整体异质坯料。

3、异质环件轧制成形。将整体异质坯料放入加热炉中，加热到1150℃后保温2h，然后将整体异质坯料取出后尽快转移到轧环机上进行热轧成形。如附图3所示，热轧成形时，驱动辊1作旋转轧制运动，芯辊3作径向直线进给运动，锥辊4作旋转端面轧制运动，在径向轧制中，环件产生径向壁厚减小、内外直径扩大、截面轮廓成形的连续局部塑性变形。轧制过程采用三火轧制，每火次的截面变形量尽量控制在25％以上，通过轧制变形与加热保温交替的方式进一步促进界面愈合。轧制过程的环件长大速度曲线如附图4所示，其中V₁＝2mm/s，V₂＝15mm/s，V₃＝1mm/s,k₁取0.02，k₂取0.03，k₃取0.3，k₄取0.9，k₄取0.95。按上述方法对整体异质环坯进行热轧成形获得大型异质金属环件产品5。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种大型异质金属环件构筑热轧成形方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、异质环坯单元制备

按照目标环件尺寸要求，准备不同材质的金属材料A和金属材料B的圆柱形棒料，对金属材料A棒料进行镦粗、冲孔和整形，获得较小直径的金属材料A环坯单元，对金属材料B棒料进行镦粗、冲孔和预轧，获得较大直径的金属材料B环坯单元；

步骤二、异质坯料整体构筑

将步骤一获得的两个异质材料的环坯单元表面机加工后进行表面清洁处理，金属材料A环坯单元的外表面和金属材料B环坯单元的内表面进行机加工和清洁处理；将金属材料A环坯单元外表面和金属材料B环坯单元内表面端贴合靠紧后组装到一起，再通过真空激光焊对组装的异质环坯接触面表层进行封焊连接，获得整体异质坯料；

步骤三、异质环件轧制成形

将步骤二获得的整体异质坯料放入加热炉中加热后尽快转移到轧环机上进行热轧成形，获得大型无缝异质金属环件；步骤一中，根据目标大型异质金属环件的尺寸，分别设计异质环坯单元的外径、内径、高度尺寸，以及成形异质环坯单元所需的不同材质圆柱形棒料尺寸，分别按设计的棒料尺寸进行锯切下料，获得金属材料A和金属材料B的圆柱形坯料，其中金属材料A棒料用于成形内环，金属材料B棒料用于成形外环；然后将圆柱形坯料加热保温一段时间，取出坯料后分别进行镦粗、冲孔获得带小孔的金属材料A和金属材料B的环形坯料；接着对金属材料A的小孔环形坯料进行滚圆和平端面来整形，获得较小直径的金属材料A环坯单元，对金属材料B的小孔环形坯料进行预轧扩孔，获得较大直径的金属材料B环坯单元；

金属材料A棒料重量按下式计算，

式中ρ_A为材料A的密度；为加工系数，通常取0.01～0.02；V_Z为冲孔连皮体积，d_z为最小直径冲头径向尺寸，h为冲孔连皮高度，通常取h＝0.1d_z；V_A为目标环件中使用金属材料A的部分即内环的体积，/>B₁、R₂、R₁分别为目标异质金属环件的高度、分界面半径和内半径；

金属材料A棒料高度按下式计算，

式中D_A为金属材料A所选棒料的直径；

金属材料B棒料重量按下式计算，

式中ρ_B为材料B的密度；V_B为目标环件中使用材料B的部分即外环的体积，R₃为目标异质金属环件的外半径；

金属材料B棒料高度按下式计算，

式中D_B为金属材料B所选棒料的直径；

金属材料A环坯单元的尺寸按下式计算，

式中，B_A、r_A、R_A分别为金属材料A环坯单元的高度、内半径和外半径；

金属材料B棒料镦粗、冲孔后的小孔环形坯料的尺寸按下式计算，

式中，B_B、r_B、R_B分别为金属材料B棒料镦粗、冲孔后的小孔环形坯料的高度、内半径和外半径，k_B为构筑环坯热轧成形的轴向变形比，通常取0.15～0.3；

金属材料B环坯单元尺寸按下式计算，

式中，B_B0、r_B0、R_B0分别为金属材料B环坯单元的高度、内半径和外半径；H_B0为金属材料B环坯单元的壁厚，H_B0＝H_B-(B_B-B_B0)η，其中H_B为金属材料B棒料镦粗、冲孔后的小孔环形坯料的壁厚，H_B＝R_B-r_B，η为此次轧制过程中径向与轴向变形量的比值，金属材料A环坯单元机加工后的尺寸按下式计算，

金属材料B环坯单元机加工后的尺寸按下式计算，

确定整体异质坯料加热温度时，金属材料A的始锻温度为T₁，金属材料B的始锻温度为T₂，则轧制前对异质环坯进行加热的温度T选取T₁和T₂中的较小值，将整体异质坯料放入加热炉中，加热到温度T后保温一段时间，然后将整体异质坯料取出后尽快转移到轧环机上进行热轧成形；

步骤二中：环坯单元表面清洁处理中，金属材料A环坯单元的外表面和金属材料B环坯单元的内表面需要机加工和清洁处理，其中进行表面清洁处理时采用超声波清洗方式；

步骤二中：金属材料A环坯单元外表面和金属材料B环坯单元内表面端贴合靠紧后组装到一起之后放入真空激光焊设备中，抽真空后通过激光焊接，实现组装的异质环坯接触面表层的封焊连接；

热轧成形时，驱动辊作旋转轧制运动，芯辊作径向直线进给运动，锥辊作旋转端面轧制运动，在径向轧制中，环件产生径向壁厚减小、内外直径扩大、截面轮廓成形的连续局部塑性变形；

轧制过程仅沿径向轧制，有利于促进界面进一步热变形愈合，并且保证异质金属界面层满足目标环件要求，锥辊的主要作用是平端面；轧制过程至少采用两火轧制，每火次的截面变形量尽量控制在金属材料A、B两种材料中较难变形材料的临界变形量以上，通过多次轧制变形与加热保温交替的方式进一步促进界面愈合；轧制过程严格控制环件长大速度，通过控制芯辊进给速度的方式使环件实际外径长大速度逼近设计的环件外径长大速度曲线，

环件外径长大速度曲线按下式设计，

式中V_D为轧制过程环件外径瞬时长大速度，D为轧制过程环件瞬时外径，D₀为轧制开始环坯外径，D₀＝2R_B1，D_f为轧制结束时环件外径，D_f＝2R_B1；曲线分为六个阶段，第一阶段结束时的环件外径为D₁，D₁＝D₀+k₁(D_f-D₀)，k₁一般取0.02～0.03，第一阶段结束时的环件外径长大速度为V₁，V₁一般取2～5mm/s；第二阶段结束时的环件外径为D₂，D₂＝D₀+k₂(D_f-D₀)，k₂一般取0.05～0.07；第三阶段结束时的环件外径为D₃，D₃＝D₀+k₃(D_f-D₀)，k₃一般取0.3～0.35，第三阶段结束时的环件外径长大速度为V₂，V₂一般取10～25mm/s第四阶段结束时的环件外径为D₄，D₄＝D₀+k₄(D_f-D₀)，k₄一般取0.85～0.9；第五阶段结束时的环件外径为D₅，D₅＝D₀+k₅(D_f-D₀)，k₅一般取0.9～0.95，第五阶段结束时的环件外径长大速度为V₃，V₃一般取0.5～2mm/s，第六阶段结束时的环件外径为D_f。