CN103170798B - 一种高质量大直径薄壁金属筒体的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高质量大直径薄壁金属筒体的加工方法，包括(1)采用等温或热模反挤压工艺，对合金锻棒进行反挤压；(2)机加工所得旋压筒坯内外表面，并精车筒坯筒底的内表面；(3)将机加工旋压筒坯进行多道次强力变薄旋压，旋压为热旋或冷旋；(4)将旋压半成品进行中间热处理，中间热处理为退火或固溶处理；(5)对步骤(3)和(4)反复交替进行，然后进行成品旋压；(6)对所得的筒体，酸洗和清洗后进行成品热处理；(7)对步骤(6)热处理的筒体进行内外表面抛光，得到成品筒体。采用本发明加工大直径无焊缝薄壁金属筒体、组织均匀且细小、综合性能高、流程短、产品附加值高，具有良好的应用推广前景和一定的经济效益和社会效益。

Description

一种高质量大直径薄壁金属筒体的加工方法
技术领域
本发明涉及一种高质量大直径薄壁金属筒体的加工方法，属于金属加工技术领域。
背景技术
金属筒体在航空、航天、石油、化工、电力、核能等工业领域应用广泛。大直径薄壁金属筒体的加工方法主要有①利用板材卷板焊接直接成形，②板材卷板焊接，变薄旋压，筒底焊接成形，③板料冲压，变薄旋压成形，④板料直接旋压成形，⑤离心铸造管坯，变薄旋压，筒底焊接成形，⑥真空铸造筒坯，热等静静压，变薄旋压成形。传统板材卷板焊接直接成形方法，可用于大部分金属材料的筒体加工，但焊缝的存在降低了筒体的综合性能；对于变形抗力较大的高强钢、镍基合金、钛合金等材料，利用板材直接旋压成形加工相当困难；离心铸造+旋压工艺制备大直径筒体流程短，但不适合用于合金元素比重差异较大的材料且需要焊接筒底；铸造-热等静压工艺虽然可以消除铸造气孔等缺陷，但难以消除粗大的铸造组织，旋压筒坯组织的均匀性较差；板料冲压成形制备旋压筒坯的工序多，对于变形抗力较大的镍基合金、高强钢和钛合金等难变形材料成形相当困难，且板材的制备加工流程长，导致板料冲压成形+变薄旋压成形和直接旋压成形的方法加工大直径筒体的工序相当繁琐。
发明内容
本发明针对上述现有技术中的不足，提供一种高质量大直径无焊缝薄壁金属筒体的制备方法，其制备工艺流程短、成形省力、节能、材料利用率高，适用性强，筒体组织均匀、细小，综合性能好，可以解决传统加工方法存在焊缝影响筒体综合性能、加工流程长和工序多、加工成形困难等诸多问题。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种高质量大直径薄壁金属筒体的加工方法，包括如下步骤：
(1)采用等温或热模反挤压工艺，对合金锻棒进行反挤压，制备出旋压筒坯；
(2)机加工步骤(1)所得旋压筒坯内外表面，并精车筒坯筒底的内表面，得到机加工旋压筒体；
(3)将步骤(2)精加工的旋压筒坯，进行多道次强力变薄旋压，所述旋压为热旋或冷旋，得到旋压半成品；
(4)将步骤(3)旋压半成品进行中间热处理，所述中间热处理为退火或固溶处理；
(5)对步骤(3)和(4)反复交替进行，并进行成品旋压；
(6)对步骤(5)所得的筒体，酸洗和清洗后，进行成品热处理；
(7)对步骤(6)热处理的筒体进行内外表面抛光，得到成品筒体。
一种优选的技术方案，其特征在于：所述的合金为变形合金，包括黑色金属和有色金属的变形合金以及非连续体增强金属复合材料，主要针对使用性能要求较高的镍基合金、高强钢、钛合金、锆合金、铝合金、铜合金以及非连续体增强金属复合材料等。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(1)中，所述合金锻棒的直径为Φ180mm～Φ1000mm；挤压温度高于1050℃采用热模反挤压，低于该温度采用等温反挤压，所述反挤压的挤压比为1.5～10，挤压速度为0.01mm/s～5mm/s。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(2)中，所述机加工旋压筒体的壁厚为10mm～50mm，外径为Φ200mm～Φ1000mm。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(3)中，所述热旋主要针对室温塑性较差的材料，如钛合金和非连续体增强金属复合材料等，即当所述合金为钛合金或非连续体增强金属复合材料时，采用热旋进行多道次强力变薄旋压。所述变薄旋压的道次减薄率为10％～40％，进给比为0.5mm/n～2mm/n。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(4)中，所述中间热处理(退火或固溶处理)间的变形量为45％～75％。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(5)中，所述成品旋压的道次减薄率为10％～40％，进给比为0.5mm/n～2mm/n。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(6)中，所述的热处理为真空退火或固溶+时效处理，可采用材料常用的标准热处理制度。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(7)中，所述成品筒体的直径为Φ200mm～Φ1000mm，壁厚为1mm～10mm，长度为300mm～3000mm。
本发明提供了一种大直径筒体组织均匀且细小、综合性能高、流程短、材料利用率高的加工新方法，主要优点有：
(1)挤压成形过程中材料受到三向压应力极大的发挥了材料的成形性，采用等温或热模反挤压，坯料温度和模具温度一致或相接近，材料变形温度均匀，变形均匀，旋压筒坯组织均匀、细小。
(2)挤压成形应变速率较小，变形温度高，几乎没有模冷效应，材料变形抗力较小，显著降低挤压成形力，成形省力，节能。
(3)采用等温/热模反挤压工艺直接制备旋压筒坯，避免了工序多、流程长的板材加工和筒坯的多道次冲压成形，极大的缩短了工艺流程。
(4)本发明的适用性非常强，几乎可用于所有变形合金筒体的加工，亦可用于塑性较低的非连续体增强金属复合材料筒体的加工成形。
采用本发明加工的大直径无焊缝薄壁金属筒体，组织均匀且细小、综合性能高、流程短、产品附加值高。本发明为高性能、高质量、大直径薄壁筒体加工提供了新途径，加工的筒体可用于航空、航天和核工业等高科技领域和普通民用的各行各业，应用前景良好，具有一定的经济效益和社会效益。
附图说明
图1为本发明高质量大直径薄壁金属筒体加工方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面主要通过对变形抗力大、成形困难的镍基合金薄壁筒体加工为例，对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
如图1所示，为本发明的工艺流程图。本发明高质量大直径薄壁金属筒体的加工工艺流程，包括：锻棒下料，等温/热模反挤压，机加工筒体内外表面及精车筒底内表面，变薄旋压，中间热处理，成品旋压，成品热处理，筒体内外抛光。
(1)采用等温或热模反挤压工艺，对合金锻棒进行反挤压，制备出旋压筒坯。合金为变形合金，包括黑色金属和有色金属的变形合金以及非连续体增强金属复合材料，主要针对使用性能要求较高的镍基合金、高强钢、钛合金、锆合金、铝合金、铜合金以及非连续体增强金属复合材料等。合金锻棒的直径可为Φ180mm～Φ1000mm；挤压温度高于1050℃采用热模反挤压，低于该温度采用等温反挤压，反挤压的挤压比为1.5～10，挤压速度为0.01mm/s～5mm/s。
(2)机加工步骤(1)所得旋压筒坯内外表面，并精车筒坯筒底的内表面，得到机加工旋压筒体。机加工旋压筒体的壁厚为10mm～50mm，外径为Φ200mm～Φ1000mm。
(3)将步骤(2)精加工的旋压筒坯，进行多道次强力变薄旋压，旋压为热旋或冷旋，得到旋压半成品。热旋主要针对室温塑性较差的材料，如钛合金和非连续体增强金属复合材料等，变薄旋压的道次减薄率为10％～40％，进给比为0.5mm/n～2mm/n。
(4)将步骤(3)旋压半成品进行中间热处理，所述中间热处理为退火或固溶处理。中间热处理(退火或固溶处理)间的变形量为45％～75％。
(5)对步骤(3)和(4)反复交替进行，并进行成品旋压。成品旋压的道次减薄率为10％～40％，进给比为0.5mm/n～2mm/n。
(6)对步骤(5)所得的筒体，酸洗和清洗后热处理。热处理为真空退火或固溶+时效处理，可采用材料常用的标准热处理制度。
(7)对步骤(6)热处理的筒体进行内外表面抛光，所得成品筒体的直径为Φ200mm～Φ1000mm，壁厚为1mm～10mm，长度为300mm～3000mm。
实施例1
加工对象为HastelloyC合金筒体，将直径为300mm的锻棒下料，机加工后，用壁厚为10mm的普炭钢包套，加热到890℃，保温3h，继续升温到1220℃，保温4h；然后覆涂玻璃润滑粉，放入挤压筒进行热模反挤压，挤压速度为1.5mm/s，挤压比为3.5，挤压工模具温度为950℃。清除包套材料，机加工筒体内外表面，并精车筒底内表面，旋压筒坯外径为294mm，壁厚为10mm。采用三轮强力旋压机进行变薄旋压，第一道次的减壁率为20％，后续道次减薄率为26％，成品前两道次的进给比0.7mm/n，其他道次的进给比为1.3mm/n，固溶热处理间的变形量为65％，固溶温度为1180℃，保温1.5h，水淬。成品筒体采用真空退火，退火温度为1120℃。经抛光处理后筒体的外径为276mm，壁厚为1mm。
实施例2
加工对象为GH4698合金筒体，将直径为260mm的锻棒下料，机加工后，用壁厚为10mm的普炭钢包套，加热到860℃，保温2h，继续升温到1220℃，保温3h；然后覆涂玻璃润滑粉，放入挤压筒进行热模反挤压，挤压速度为1.5mm/s，挤压比为3.1，挤压工模具温度为950℃。清除包套材料，机加工筒体内外表面，并精车筒底内表面，旋压筒坯外径为255mm，壁厚为10mm。采用三轮强力旋压机进行变薄旋压，第一道次的减壁率为21％，后续道次减薄率为27％，成品前两道次的进给比为0.6mm/n，其他道次的进给比为1.1mm/n，固溶热处理间的变形量为65％，固溶温度为1100℃，保温1h，水淬。成品管材采用标准热处理制度为：固溶温度为1120±10℃，8h，空冷+1000±10℃，4h，空冷+775±10℃，16h，空冷。经抛光处理后筒体的外径为239mm，壁厚为2mm。
实施例3
加工对象为Inconel718合金筒体，将直径为300mm的锻棒下料，机加工后，预热到260℃喷涂高温防氧化玻璃润滑剂，随后加热到850℃，保温2h，继续升温到1050℃，保温4h；然后覆涂玻璃润滑粉，放入挤压筒进行等温反挤压，挤压速度为1mm/s，挤压比为4。机加工筒体内外表面，并精车筒底内表面，机加工后筒体的外径为295mm，壁厚为15mm。采用三轮强力旋压机进行变薄旋压，第一道次的减薄率为18％，后续道次减薄率为25％，成品前两道次的进给比为0.7mm/n，其他道次的进给比为1.2mm/n，固溶处理间的变形量为70％，固溶温度为1065℃，保温2h，水淬。成品筒体采用标准热处理制度II：980±10℃，1h，空冷+720±5℃，8h，以50℃/炉冷至620±5℃，8h，空冷。经抛光处理后筒体的外径为267mm，壁厚为1mm。
实施例4
加工对象为Mone400合金筒体，将直径为400mm的锻棒下料，机加工后，预热到200℃喷涂高温防氧化玻璃润滑剂，随后加热到980℃，保温4h，覆涂玻璃润滑粉；放入挤压筒进行等温反挤压，挤压速度为0.5mm/s，挤压比为5.3。机加工筒体内外表面，并精车筒底内表面，机加工后筒体的外径为395mm，壁厚为15mm。采用三轮强力旋压机进行变薄旋压，第一道次的减薄率为20％，后续道次减薄率为25～30％，成品前两道次的进给比为0.8mm/n，其他道次的进给比为1.6mm/n。退火间变形量为70％，退火温度为920℃。成品退火温度为615℃，保温1h。经抛光处理后筒体的外径为370mm，壁厚为2.5mm。
采用本发明方法加工的大直径无焊缝薄壁金属筒体，组织均匀且细小、综合性能高、流程短、产品附加值高，具有良好的应用推广前景和一定的经济效益和社会效益。

Claims (10)

1.一种高质量大直径薄壁金属筒体的加工方法，包括如下步骤：
(1)采用等温或热模反挤压工艺，对合金锻棒进行反挤压，制备出旋压筒坯；
(2)机加工步骤(1)所得旋压筒坯内外表面，并精车筒坯筒底的内表面，得到机加工旋压筒体；
(3)将步骤(2)的机加工旋压筒体，进行多道次强力变薄旋压，所述旋压为热旋或冷旋，得到旋压半成品；
(4)将步骤(3)旋压半成品进行中间热处理，所述中间热处理为退火或固溶处理；
(5)对步骤(3)和(4)反复交替进行，然后进行成品旋压；
(6)对步骤(5)所得的筒体，酸洗和清洗后进行成品热处理；
(7)对步骤(6)热处理的筒体进行内外表面抛光，得到成品筒体。
2.根据权利要求1所述的高质量大直径薄壁金属筒体的加工方法，其特征在于：所述的合金为黑色金属和有色金属的变形合金及非连续体增强金属复合材料。
3.根据权利要求1所述的高质量大直径薄壁金属筒体的加工方法，其特征在于：所述合金锻棒的直径为Ф180mm～Ф1000mm，所述反挤压的挤压比为1.5～10，挤压速度为0.01mm/s～5mm/s。
4.根据权利要求1所述的高质量大直径薄壁金属筒体的加工方法，其特征在于：所述机加工旋压筒体的壁厚为10mm～50mm，外径为Ф200mm～Ф1000mm。
5.根据权利要求1所述的高质量大直径薄壁金属筒体的加工方法，其特征在于：当所述合金为钛合金或非连续体增强金属复合材料时，采用热旋进行多道次强力变薄旋压。
6.根据权利要求1所述的高质量大直径薄壁金属筒体的加工方法，其特征在于：所述变薄旋压的道次减薄率为10％～40％，进给比为0.5mm/n～2mm/n。
7.根据权利要求1所述的高质量大直径薄壁金属筒体的加工方法，其特征在于：所述中间热处理间的变形量为45％～75％。
8.根据权利要求1所述的高质量大直径薄壁金属筒体的加工方法，其特征在于：所述成品旋压的道次减薄率为10％～40％，进给比为0.5mm/n～2mm/n。
9.根据权利要求1所述的高质量大直径薄壁金属筒体的加工方法，其特征在于：所述的成品热处理为真空退火或固溶+时效处理。
10.根据权利要求1所述的高质量大直径薄壁金属筒体的加工方法，其特征在于：所述成品筒体的直径为Ф200mm～Ф1000mm，壁厚为1mm～10mm，长度为300mm～3000mm。
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