CN114888216A - 一种微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件及成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件及成形方法。经过将钢铁坯料母材预制成具有半固态组织的钢铁坯料，放入预热好的凹模之中，驱动凸模下压钢铁坯料实现钢铁坯料的触变塑变复合成形，对模具内的坯料温度进行控制使其成形，成形结束后控制构件的冷却过程使其发生合金相变，待冷却后即得到微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件。本发明制备的钢铁壳体构件的微观组织以及强度、硬度等力学性能沿长度方向梯度分布，满足钢铁壳体构件的使用需求，并且制备过程中所用的设备为常规设备，易于控制。

Description

一种微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件及成形 方法

技术领域

本发明涉及材料成形技术领域，具体涉及一种微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件及成形方法。

背景技术

钢铁材料较高的再结晶温度和在大幅度升温降温过程中较为复杂的金属相变行为等难点，限制了增材制造、半固态成形等新型材料加工成形技术在钢铁构件成形制造方面的工业应用。在全球提倡并执行“碳达峰”和“碳中和”目标的今天，钢铁构件的加工、成形与制造依然以传统的机械加工、铸造、锻造为主。以传统机械加工为代表的减材制造工艺不仅局限于较低的材料利用率，而且由于流线不连续导致构件力学性能不佳。以铸造和锻造为代表的传统等材制造工艺在制造对宏观几何特征、微观组织形貌、力学性能表现各方面都有具体要求的先进钢铁构件时面临顾此失彼的窘境。例如，现有的大高径比钢铁壳体构件的成形方式包括：先经过多火次多段锻造成形和分块锻造成形，再将各部分焊接，形成大高径比壳体构件。前者生产周期长而且能耗大，后者构件的焊缝处和热影响区易出现组织缺陷进而严重影响力学性能。

为了加工成形微观组织及力学性能梯度分布钢铁构件，国内外研究者们主要尝试使用激光熔覆增材制造和电弧熔丝增材制造等方法。然而上述两种方法生产周期较长且对特殊设备依赖性较强，更加适用于个性化、单体化具有复杂几何特征的钢铁构件成形加工，不适用于大批量钢铁构件的快速生产。此外，分体成形+焊/铆接和一体成形钢铁构件的分区域热处理也能够达到微观组织和力学性能的梯度分布，然而前者焊/铆接处的力学性能隐患和后者专用热处理设备的设计与制造阻碍了上述两种工艺的广泛应用。这为微观组织及力学性能梯度分布钢铁构件的一体化成形研究带来更大的挑战。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于解决微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件生产周期较长、设备要求高、难以大批量快速生产的问题，提供一种微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件及成形方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件，经过将钢铁坯料母材预制成具有半固态组织的钢铁坯料，放入预热好的凹模之中，驱动凸模下压钢铁坯料实现钢铁坯料的触变塑变复合成形，对模具内的坯料温度进行控制使其成形，成形结束后控制构件的冷却过程使其发生合金相变，待冷却后即得到微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件。

本发明还提供一种微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件的成形方法，包括以下步骤：

钢铁坯料的预制：通过K型热电偶测量钢铁坯料的温度变化情况，采用数控感应加热炉以10-20℃/s的升温速率加热钢铁坯料母材至1380-1425℃，并保温0.5-1.0分钟，获得液相体积分数在径向由内至外梯度递增的预制半固态钢铁坯料；其中，所述钢铁坯料径向最外缘区域的液相体积比35%，最中心区域的液相体积比为0%；

凸模、凹模预热：将凸模预热至500-600℃，凹模预热至950-1100℃，并保温15-20分钟；

钢铁坯料放置：将预制半固态钢铁坯料放入预热好的凹模之中；

触变塑变复合成形：将凸模放入凹模中，驱动凸模按既定的时间-压下量行程轨迹下压直至凸模和凹模完全闭合；在此过程中，通过K型热电偶测量凹模温度，依据所测得的实时温度对感应线圈的功率进行调节，使凹模的工作温度维持在900-1050℃的温度区间内，直至坯料完全充填由凸模和凹模构成的型腔，至此复合成形结束；

构件控温冷却：成形结束后，计算机系统通过K型热电偶测量并获得凹模的温度，将测得的实时温度数据与在计算机系统中预设的冷却速率和保温时间的既定冷却曲线相比对，以实测温度与既定温度之间的差值作为对凹模周围的感应线圈和冷却水管进行调节的依据，实现对钢铁构件在冷却过程中按照所述既定冷却曲线从γ-Fe到α-Fe的合金相变进行精确调控；即相变是通过感应线圈和冷却水管的调节使凹模和凹模中的坯料沿着既定冷却曲线从成形温度冷却至室温得以实现的；待成形构件的冷却至室温后，将凸模与凹模分离，将钢铁构件其从凹模中取出，并对钢铁构件和模具表面进行清理，得到所述的微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件。

进一步，在钢铁坯料母材上加工出4-8个直径为2-5mm深度为10-800mm的盲孔，在各个盲孔中插入K型热电偶测量用于测量钢铁坯料母材的温度变化情况。

进一步，在钢铁坯料母材的预制过程中采用氮气作为保护气体。

进一步，将凸模和凹模固定安装在数控伺服液压机的工作台面上，使数控伺服液压机能够驱动凸模按既定行程轨迹向下运动，实现钢铁坯料的触变塑变复合成形。

进一步，所述凸模和凹模的型腔部分采用镍基高温合金制成，所述凸模和凹模与伺服液压机连接装配的部分采用热作模具钢制制成；所述凸模与凹模闭合后的内腔形状和尺寸即为待制备的钢铁壳体构件的形状和尺寸。

进一步，在凹模型腔周围开有8-10个直径为10-15mm的孔洞，用于放置冷却水管；在凸模的非工作表面设有用于装卸铠装加热套的挂钩。

进一步，在凸模与凹模的加热和保温的过程中，凸模与凹模的温度通过红外线测温仪和无纸记录仪进行测量和记录。

进一步，在凸模下压直至与凹模完全闭合的过程中，通过数控伺服系统精确地记录并控制凸模下压的行程、速率、半固态钢铁坯料的变形抗力。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明提供的钢铁壳体构件，经过钢铁坯料预制、凸凹模具预热、钢铁坯料放置、触变塑变复合成形以及构件控温冷却五个步骤一体化成形制成。该钢铁壳体构件的微观组织以及强度、硬度等力学性能沿长度方向梯度分布，满足钢铁壳体构件的使用需求。

2、本发明提供的成形方法，采用常用的数控伺服液压机作为成形设备，并使用通用的镍基高温合金和热作工具钢制作成形凸凹模，能够精确地控制触变-塑变复合成形过程中的成形温度、压下量等工艺参数随时间的变化，控制半固态钢铁坯料在成形前中后期的时间维度和坯料从底部到顶部的空间维度上的微观组织演变，从而获得适用于微观组织及力学性能梯度分布的钢铁构件，具有高的材料质量利用率和材料性能利用率，符合现代绿色制造技术的发展方向。本发明用到的成形设备成本较低且通用性较强，模具结构简单且制造方法易行。整个成形过程中钢铁坯料的制备、放置、成形、冷却均采用较为简单的常规技术及装置，感应加热速率和冷却的温度分别可以通过调节感应线圈的电流和冷却水管的冷却水流速进行控制。该制备过程中所用的设备为常规设备，易于控制。

3、本发明中使用的半固态坯料并非传统的均匀半固态坯料，而是根据温度的不均匀分布呈梯度分布。这种微观组织非均匀且呈梯度分布的半固态坯料，一方面，由于边缘区域液相比较高半固态坯料良好的流动性和成形性，能够在较低的成形载荷下迅速充填深腔薄壁的型腔；另一方面，由于中心区域固态坯料发生塑性变形引起微观组织细化，能够获得较好的力学性能，有利于微观组织及力学性能梯度分布钢铁构件的加工成形。

附图说明

图1为本发明一种微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件的成形示意图。

图2为本发明一种微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件的成形过程中的坯料加热装配示意图。

图3为本发明一种微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件的成形过程中的模具预热示意图。

图4为本发明一种微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件的成形过程中的模具的冷却机构示意图。

图5为本发明一种微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件的成形过程中凸模压下量及成形速率随时间变化示意图。

图6为本发明实施例1制备的钢铁壳体构件的微观组织分布图。

图7为本发明实施例1制备的钢铁壳体构件的力学性能分布图。

图中：构件1、钢铁坯料2、凹模3、凸模4、感应线圈5、冷却水管6、铠装加热套7。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例提供一种微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件，为300M超高强度钢大高径比壳体构件。该钢铁壳体构件，经过将钢铁坯料母材预制成具有半固态组织的钢铁坯料2，放入预热好的凹模3之中，驱动凸模4下压钢铁坯料2实现钢铁坯料2的触变塑变复合成形，对模具内的坯料温度进行控制使其成形，成形结束后控制构件1的冷却过程使其发生合金相变，待冷却后即得到微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件1。

实施例2

本实施例提供一种微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件的成形方法，用以制备实施例一中的300M超高强度钢大高径比壳体构件。

参见图1，包括以下步骤：

（1）钢铁坯料的预制。据有限元法模拟仿真计算钢铁构件1所需坯料的几何形状和尺寸。本实施例中采用直径为800mm、高度为1200mm的圆柱体，以保证坯料方便脱模。选用塑性加工态M300超高强度钢作为坯料母材，通过机械加工手段切取优化后的钢铁坯料2，并使用钻床在钢铁坯料2边缘加工出8个直径为5mm深度为50mm的盲孔。将钢铁坯料母材放置于数控感应加热炉中，并使用插入钢铁坯料2的各个盲孔中的8个K型热电偶测量其温度变化情况，使用数控感应加热炉以10℃/s的升温速率加热钢铁坯料2至1395℃，并保温1.0分钟，获得液相体积分数在径向由内至外梯度递增的半固态钢铁坯料2，参见图2。该钢铁坯料2径向最外缘区域的液相体积比35%，最中心区域的液相体积比为0%。在加热和保温的过程中初始钢铁材料的温度通过K型热电偶和无纸记录仪进行测量和记录，为了抑制钢铁材料在加热和保温过程中的氧化，采用氮气作为保护气体。

（2）凸凹模具预热。根据有限元法模拟仿真优化设计钢铁构件1成形所需凸模4和凹模3的几何形状和尺寸，再根据实际情况进行进一步优化，以保证成形构件1方便脱模。随后依据设计好的凸模4和凹模3的形状和尺寸，使用镍基高温合金制造凸模4和凹模3的型腔部分，使用热作模具钢制造凸模4和凹模3与伺服液压机连接装配部分。凸凹模闭合后的内腔形状即尺寸即为设计好的坯料形状和尺寸。除了在凹模3外缘安置感应线圈5以外，还使用机械加工手段在凹模型腔周围加工出便于放置冷却水管6的直径10mm的孔洞8个，在凸模非工作表面加工便于装卸铠装加热套7的挂钩。将凸模4和凹模3翻边安装固定在用于钢铁构件1成形的数控伺服液压机的工作台面上。在成形前，参见图3和图4，使用铠装加热套7和感应线圈5分别将凸凹模具预热至600℃和950℃，并保温15分钟。在加热和保温的过程中凸模4与凹模3的温度通过红外线测温仪和无纸记录仪进行测量和记录。

（3）钢铁坯料放置。将石墨悬浊液作为润滑剂均匀喷涂在凸模4和凹模3的型腔工作表面，精准控制着包覆保温棉的机器手将已经加热至成形温度并保温的预制半固态钢铁坯料2放入以加热至既定温度并保温的凹模3之中，为了抑制钢铁材料在传送过程中的氧化，在空间方面采用保温棉隔绝半固态钢铁坯料2与外界空气接触，在时间方面确保半固态钢铁坯料2的移动与放置在短时间内迅速完成。

（4）触变塑变复合成形。使用计算机界面控制数控伺服液压机，驱动凸模4按既定的时间-压下量行程轨迹下压直至凸模4和凹模3完全闭合。在成形过程中，通过数控伺服系统精确地记录并控制凸模4下压的行程、速率。通过数控伺服连接成形凸模4的模块测量并记录半固态钢铁坯料2的变形抗力。并且通过焊接在成形凹模3四周的K型热电偶测量成形凹模3的温度，依据无纸记录仪所测得的实时温度数据对感应线圈5的功率进行调节，确保凹模3的工作温度维持在900℃。参见图5，在成形的初段，采用较低的应变速率，由于凸模4温度较低，半固态钢铁坯料2与凸模4接触区域的液相由于冷却而率先凝固为固相，该区域固相发生塑性变形，应变类型为压缩应变和剪切应变，半固态坯料未与凸模4接触部位发生半固态触变成形，在成形载荷驱动下迅速充填模具型腔；在成形的中段，采用较高的应变速率，一方面随着坯料与凸模4接触面积增大，更多的液相凝固为固相，另一方面，由于成形载荷下液相流动速度大于固相，坯料发生液相偏析，大量的液相快速充填模具型腔尚未充满的部位；在成形的末段，采用较低的应变速率，凹模3持续下压，在固相较集中的钢铁坯料2底部的塑性变形引发奥氏体晶粒动态再结晶，进而细化微观组织，在液相较多的钢铁坯料2其他区域的塑性变形压碎连续的共晶化合物并焊合液相凝固引起的缩孔和疏松，进而消除组织缺陷。待成形结束之后保持凸模4与凹模3闭合。

（5）构件控温冷却。成形完成后，计算机系统通过焊接在成形凹模3四周的K型热电偶测量成形凹模3的温度，将无纸记录仪所测得的实时温度数据与事先在计算机系统中设定好的冷却速率和保温时间的既定冷却曲线进行对比，基于实时温度数据与既定冷却曲线之间的差值对凹模3中周围的感应线圈5和冷却水管6进行调节，使钢铁构件1按照既定冷却曲线进行冷却，实现对钢铁构件1在冷却过程中按照既定冷却曲线发生从γ-Fe到α-Fe的合金相变的精确调控。待成形构件1的冷却至室温后，使用计算机界面控制数控伺服液压机将凸模4与凹模3分离，将钢铁构件1其从凹模3中取出，并对钢铁构件1和模具表面进行清理。制得的钢铁构件300M钢铁大高径比壳体构件1的微观组织如图6所示，力学性能如图7所示。

从图6和图7可知，本发明制备的钢铁构件300M钢铁大高径比壳体构件，从底部到顶部的共晶化合物逐渐增多、马氏体逐渐减少、晶粒尺寸逐渐增大，这是因为，一方面，在成形过程中大量液相在成形载荷的驱动下迅速向构件顶部聚集并在随后的冷却过程中凝固为共晶化合物和粗大的晶粒，另一方面，大量的固相在触变成形过程中滞留在了壳体构件底部并在后续的塑性成形过程中由于再结晶而晶粒细化，获得了较为精细的晶粒。同时大量的合金元素随着液相移动到了构件顶部，由于马氏体转变起始温度与合金元素含量密切相关，合金元素较多的区域马氏体转变起始温度较低，因此在冷却至室温的过程中构件顶部的马氏体转变并不充分，导致了构件顶部马氏体较少。从底部到顶部的拉伸屈服强度和延伸率逐渐降低，硬度逐渐增加，说明构件底部到顶部逐渐增加的共晶化合物一方面逐步提高了该部位的硬度，另一方面由于共晶化合物比较淬硬而韧性不足且分布在固相颗粒的晶界上，导致共晶化合物含量较多的区域强度和延伸率低于共晶化合物含量较低的区域。

可见，本发明提供的钢铁壳体构件微观组织以及强度、硬度等力学性能沿长度方向梯度分布，能够满足钢铁壳体构件的使用需求。并且，采用常用的数控伺服液压机作为成形设备，并使用通用的镍基高温合金和热作工具钢制作成形凸凹模，能够精确地控制触变-塑变复合成形过程中的成形温度、压下量等工艺参数随时间的变化，控制半固态钢铁坯料在成形前中后期的时间维度和坯料从底部到顶部的空间维度上的微观组织演变，从而获得适用于微观组织及力学性能梯度分布的钢铁构件，具有高的材料质量利用率和材料性能利用率，符合现代绿色制造技术的发展方向。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件，其特征在于，将钢铁坯料母材预制成具有半固态组织的钢铁坯料，放入预热好的凹模之中，驱动凸模下压钢铁坯料实现钢铁坯料的触变塑变复合成形，对模具内的坯料温度进行控制使其成形，成形结束后控制构件的冷却过程使其发生合金相变，待冷却后即得到微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件。

2.一种微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件的成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

钢铁坯料的预制：通过K型热电偶测量钢铁坯料的温度变化情况，采用数控感应加热炉以10-20℃/s的升温速率加热钢铁坯料母材至1380-1425℃，并保温0.5-1.0分钟，获得液相体积分数在径向由内至外梯度递增的预制半固态钢铁坯料；其中，所述钢铁坯料径向最外缘区域的液相体积比35%，最中心区域的液相体积比为0%；

凸模、凹模预热：将凸模预热至500-600℃，凹模预热至950-1100℃，并保温15-20分钟；

钢铁坯料放置：将预制半固态钢铁坯料放入预热好的凹模之中；

触变塑变复合成形：将凸模放入凹模中，驱动凸模按既定的时间-压下量行程轨迹下压直至凸模和凹模完全闭合；在此过程中，通过K型热电偶测量凹模温度，依据所测得的实时温度对感应线圈的功率进行调节，使凹模的工作温度维持在900-1050℃的温度区间内，直至坯料完全充填由凸模和凹模构成的型腔，至此复合成形结束；

构件控温冷却：成形结束后，计算机系统通过K型热电偶测量并获得凹模的温度，将测得的实时温度数据与在计算机系统中预设的冷却速率和保温时间的既定冷却曲线相比对，以实测温度与既定温度之间的差值作为对凹模周围的感应线圈和冷却水管进行调节的依据，实现对钢铁构件在冷却过程中按照既定冷却曲线从γ-Fe到α-Fe的合金相变进行精确调控；待成形构件的冷却至室温后，将凸模与凹模分离，将钢铁构件其从凹模中取出，并对钢铁构件和模具表面进行清理，得到如权利要求1所述的微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件。

3.根据权利要求2所述的微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件的成形方法，其特征在于，在钢铁坯料母材上加工出4-8个直径为2-5mm深度为10-800mm的盲孔，在各个盲孔中插入K型热电偶测量用于测量钢铁坯料母材的温度变化情况。

4.根据权利要求2所述的微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件的成形方法，其特征在于，在钢铁坯料母材的预制过程中采用氮气作为保护气体。

5.根据权利要求2所述的微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件的成形方法，其特征在于，将凸模和凹模固定安装在数控伺服液压机的工作台面上，使数控伺服液压机能够驱动凸模按既定行程轨迹向下运动，实现钢铁坯料的触变塑变复合成形。

6.根据权利要求5所述的微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件的成形方法，其特征在于，所述凸模和凹模的型腔部分采用镍基高温合金制成，所述凸模和凹模与伺服液压机连接装配的部分采用热作模具钢制制成；所述凸模与凹模闭合后的内腔形状和尺寸即为待制备的钢铁壳体构件的形状和尺寸。

7.根据权利要求2所述的微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件的成形方法，其特征在于，在凹模型腔周围开有8-10个直径为10-15mm的孔洞，用于放置冷却水管；在凸模的非工作表面设有用于装卸铠装加热套的挂钩。

8.根据权利要求2所述的微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件的成形方法，其特征在于，在凸模与凹模的加热和保温的过程中，凸模与凹模的温度通过红外线测温仪和无纸记录仪进行测量和记录。

9.根据权利要求2所述的微观组织及力学性能梯度分布的钢铁壳体构件的成形方法，其特征在于，在凸模下压直至与凹模完全闭合的过程中，通过数控伺服系统精确地记录并控制凸模下压的行程、速率、半固态钢铁坯料的变形抗力。

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