CN103639220A - 一种镍合金管坯的挤压成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种镍合金管坯的挤压成型方法，该方法为：将镍合金锭坯加热至一定温度，然后选择适宜的挤压模、挤压比和挤压速率对镍合金锭坯进行挤压，最后将挤压后的镍合金锭坯进行水淬冷却，得到镍合金管坯。本发明通过选择适宜的挤压模，并对锭坯加热温度、挤压速度、挤压比等工艺参数进行优化改进，能够显著改善传统挤压工艺产生的各种缺陷，最终获得表面质量好、尺寸精度高、组织性能好的优质管坯。

Description

一种镍合金管坯的挤压成型方法

技术领域

本发明属于镍合金材料加工技术领域，具体涉及一种镍合金管坯的挤压成型方法。

背景技术

镍基高温合金具有抗氧化、抗腐蚀、使用温度高等优点，在航天、核工程、能源动力、交通运输、石油化工和冶金等领域高温合金也有着广阔的应用。

镍基高温合金特有的合金成份和微观组织结构决定了其挤压成形工艺有别于其它普通材料。同其它类型材料相比，镍基高温合金具有如下成形特点：

（1）材料强度高，流动性能差，因此镍基高温合金管坯的成形困难，废品率高；

（2）变形抗力大。由于高温合金成分复杂，再结晶温度高，在变形温度下具有较高的变形抗力和硬化倾向，变形抗力为普通结构钢的4-7倍；

（3）挤压变形温度范围窄。高温合金与钢相比，熔点低，加热温度过高容易引起过烧、过热。若温度过低，则塑性低、变形抗力大，且易产生冷热混合变形导致产生不均匀粗晶。

因此，选择合理的热挤压工艺参数和工艺方法，获得表面质量高，组织性能好的镍基高温合金热挤压管坯是亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种镍合金管坯的挤压成型方法。该方法通过选择适宜的挤压模，并对锭坯加热温度、挤压速度、挤压比等工艺参数进行优化改进，能够显著改善传统挤压工艺产生的各种缺陷，最终获得表面质量好，尺寸精度高，组织性能好的优质管坯。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种镍合金管坯的挤压成型方法，其特征在于，该方法为：将横截面形状为圆环形的镍合金锭坯加热至1150℃～1230℃，再利用挤压机将加热后的镍合金锭坯在挤压比为3.5～5.0，挤压速率为40mm/s的条件下进行挤压，然后将挤压后的镍合金锭坯进行水淬冷却，得到镍合金管坯；所述挤压机中的挤压模为锥形凹模，所述锥形凹模的模角α=60°。

上述的一种镍合金管坯的挤压成型方法，其特征在于，所述镍合金为GH690镍合金或GH625镍合金。

上述的一种镍合金管坯的挤压成型方法，其特征在于，在对加热后的镍合金锭坯进行挤压之前，需预先在镍合金锭坯的内外表面均匀涂抹润滑剂。

上述的一种镍合金管坯的挤压成型方法，其特征在于，在对加热后的镍合金锭坯进行挤压之前，需预先将挤压机中的挤压筒、挤压针和挤压模均加热至350℃～380℃进行预热处理。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1.本发明通过对挤压模进行大量优化设计，主要包括凹模型面的选择以及模角的优化；本发明综合考虑了不同凹模型面和模角的大小对速度场、等效应变以及挤压力的影响规律，最终确定模角α=60°的锥形凹模作为挤压模。

2、本发明具有成本低、生产效率高、材料利用率高、管坯微观组织好等优点，能够满足镍基高温合金管坯热挤压成形批量生产的需要。

3、本发明通过选择适宜的挤压模，并对锭坯加热温度、挤压速度、挤压比等工艺参数进行优化改进，能够显著改善传统挤压工艺产生的各种缺陷，最终获得表面质量好，尺寸精度高，组织性能好的优质管坯。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明挤压模的结构示意图。

图2（a）为本发明实施例1镍合金管坯外表面的金相组织照片。

图2（b）为本发明实施例1镍合金管坯内表面的金相组织照片。

图3（a）为本发明实施例2镍合金管坯外表面的金相组织照片。

图3（b）为本发明实施例2镍合金管坯内表面的金相组织照片。

图4（a）为本发明实施例3镍合金管坯外表面的金相组织照片。

图4（b）为本发明实施例3镍合金管坯内表面的金相组织照片。

图5（a）为本发明实施例4镍合金管坯外表面的金相组织照片。

图5（b）为本发明实施例4镍合金管坯内表面的金相组织照片。

图6为本发明镍合金的流动速率随模角的变化曲线。

图7为本发明挤压力随模角的变化曲线。

附图标记说明：

α—模角。

具体实施方式

实施例1

GH690镍合金管坯的挤压成型方法：

步骤一、镍合金锭坯加热及滑润：将外径D＝116.3mm，内径D＝44.8mm，高度L＝184mm的GH690镍合金锭坯加热至1200℃，然后在镍合金锭坯的内外表面均匀涂覆玻璃粉润滑剂；

步骤二、模具预热及润滑：将挤压机中的挤压筒、挤压模和挤压针均预热至350℃；具体实施过程中，可首先将挤压筒、挤压模和挤压针加热至150℃后喷涂润滑剂，然后再加热至350℃；挤压模为锥形凹模，其模角α=60°；

步骤三、热挤压成形：先将加热的玻璃垫装在挤压模上，再依次将镍合金锭坯、石墨垫、挤压垫装在挤压筒内，然后开始挤压，挤压速度为40mm/s，挤压比为3.5；

步骤四、水淬：将热挤压成形后的管坯放进冷水中进行水淬，保留高温变形后的组织，防止晶粒长大。

步骤五、清理：将热挤压管坯的内外表面进行清理，可进行少量的机加工，去除靠近模具由于温降而再结晶不完全的部分，获得表面质量高，组织性能好的管坯，为后续的冷轧加工做好准备。

本实施例镍合金管坯外表面的金相组织照片如图2（a）所示，管坯内表面的金相组织照片如图2（b）所示。由图2（a）和图2（b）可知本实施例由于采用了合理的热挤压工艺，显著提高了材料的成形性，获得了优质管坯。管坯经过热挤压后，管壁内外表面组织均为细小的等轴晶。

实施例2

GH690镍合金管坯的挤压成型方法：

步骤一、镍合金锭坯加热及滑润：将外径D＝116.2mm，内径D＝45mm，高度L＝153mm的GH690镍合金锭坯加热至1230℃，然后在镍合金锭坯的内外表面均匀涂覆玻璃粉润滑剂；

步骤二、模具预热及润滑：将挤压机中的挤压筒、挤压模和挤压针均预热至350℃；具体实施过程中，可首先将挤压筒、挤压模和挤压针加热至100℃后喷涂润滑剂，然后再加热至350℃；挤压模为锥形凹模，其模角α=60°；

步骤三、热挤压成形：先将加热的玻璃垫装在挤压模上，再依次将镍合金锭坯、石墨垫、挤压垫装在挤压筒内，然后开始挤压，挤压速度为40mm/s，挤压比为4.1；

步骤四、水淬：将热挤压成形后的管坯放进冷水中进行水淬，保留高温变形后的组织，防止晶粒长大。

步骤五、清理：将热挤压管坯的内外表面进行清理，可进行少量的机加工，去除靠近模具由于温降而再结晶不完全的部分，获得表面质量高，组织性能好的管坯，为后续的冷轧加工做好准备。

本实施例镍合金管坯外表面的金相组织照片如图3（a）所示，管坯内表面的金相组织照片如图3（b）所示。由图3（a）和图3（b）可知本实施例由于采用了合理的热挤压工艺，显著提高了材料的成形性，获得了优质管坯。管坯经过热挤压后，管壁内外表面组织均为细小的等轴晶。

实施例3

GH625镍合金管坯的挤压成型方法：

步骤一、镍合金锭坯加热及滑润：将外径D＝116.3mm，内径D＝44.8mm，高度L＝142.2mm的GH625镍合金锭坯加热至1150℃，然后在镍合金锭坯的内外表面均匀涂覆玻璃粉润滑剂；

步骤二、模具预热及润滑：将挤压机中的挤压筒、挤压模和挤压针均预热至360℃；具体实施过程中，可首先将挤压筒、挤压模和挤压针加热至150℃后喷涂润滑剂，然后再加热至360℃；挤压模为锥形凹模，其模角α=60°；

步骤三、热挤压成形：先将加热的玻璃垫装在挤压模的上面，再依次将镍合金锭坯、石墨垫、挤压垫装在挤压筒内，然后开始挤压，挤压速度为40mm/s，挤压比为5.0；

步骤四、水淬：将热挤压成形后的管坯放进冷水中进行水淬，保留高温变形后的组织，防止晶粒长大。

步骤五、清理：将热挤压管坯的内外表面进行清理，可进行少量的机加工，去除靠近模具由于温降而再结晶不完全的部分，获得表面质量高，组织性能好的管坯，为后续的冷轧加工做好准备。

本实施例镍合金管坯外表面的金相组织照片如图4（a）所示，管坯内表面的金相组织照片如图4（b）所示。由图4（a）和图4（b）可知本实施例由于采用了合理的热挤压工艺，显著提高了材料的成形性，获得了优质管坯。管坯经过热挤压后，管壁内外表面组织均为细小的等轴晶。

实施例4

GH625镍合金管坯的挤压成型方法：

步骤一、镍合金锭坯加热及滑润：将外径D＝116.5mm，内径D＝45mm，高度L＝148mm的GH625镍合金锭坯加热至1200℃，然后在镍合金锭坯的内外表面均匀涂覆玻璃粉润滑剂；

步骤二、模具预热及润滑：将挤压机中的挤压筒、挤压模和挤压针均预热至380℃；具体实施过程中，可首先将挤压筒、挤压模和挤压针加热至135℃后喷涂润滑剂，然后再加热至380℃；挤压模为锥形凹模，其模角为60°；

步骤三、热挤压成形：先将加热的玻璃垫装在挤压模的上面，再依次将镍合金锭坯、石墨垫、挤压垫装在挤压筒内，然后开始挤压，挤压速度为40mm/s，挤压比为5.0；

步骤四、水淬：将热挤压成形后的管坯放进冷水中进行水淬，保留高温变形后的组织，防止晶粒长大。

步骤五、清理：将热挤压管坯的内外表面进行清理，可进行少量的机加工，去除靠近模具由于温降而再结晶不完全的部分，获得表面质量高，组织性能好的管坯，为后续的冷轧加工做好准备。

本实施例镍合金管坯外表面的金相组织照片如图5（a）所示，管坯内表面的金相组织照片如图5（b）所示。由图5（a）和图5（b）可知本实施例由于采用了合理的热挤压工艺，显著提高了材料的成形性，获得了优质管坯。管坯经过热挤压后，管壁内外表面组织均为细小的等轴晶。

本发明采用模角α=60°的锥形凹模为挤压模，挤压速率为40mm/s，锭坯加热温度为1150℃～1230℃，是经过大量创造性试验后得出的。具体分析如下：

1）挤压模的选择：

本发明对于挤压模的设计主要包括凹模型面的选择以及模角的优化。其中，凹模型面主要包括正弦曲线形凹模（concave oval die）、余弦曲线形凹模(convex oval die)、双曲线形凹模（hyperbola die）和锥形凹模（conicaldie）。通过综合考虑不同凹模型面和模角的大小对速度场、等效应变以及挤压力的影响规律，最终确定模角α=60°的锥形凹模作为挤压模。

本发明分别选择正弦曲线形凹模、余弦曲线形凹模、双曲线形凹模以及锥形凹模为挤压模，测得采用不同凹模进行挤压成型时，镍合金的流动速率与模角的关系曲线如图6所示。由图6可知，无论是正弦曲线形凹模、余弦曲线形凹模、双曲线形凹模以及锥形凹模，当模角α满足：60°≤α≤70°时，最有利于镍合金的流动。

本发明分别选择正弦曲线形凹模、余弦曲线形凹模、双曲线形凹模以及锥形凹模为挤压模，测得采用不同模角的凹模进行挤压成型时，挤压力与模角的关系曲线如图7所示。从图7可知，当挤压模为锥形凹模，且模角α=60°时，挤压力最小，对设备的要求最低，因此本发明经过多次创造性试验后，最终选择模角α=60°的锥形凹模为挤压模。

2）镍合金锭坯加热温度的选择:

在挤压成型过程中，镍合金锭坯的加热温度至关重要。若是加热温度过高，则会出现过热或过烧等现象，使得挤压管坯晶粒组织粗大，降低管坯的性能。若是加热温度过低，会显著提高挤压力，甚至可能出现闷车等问题。由于GH625、GH690等镍基高温合金的挤压温度范围比较窄，因此必须要确定一个合理的挤压温度范围，以保证挤压过程的顺利进行。因此本发明经过多次创造性试验后，最终选择镍合金锭坯的加热温度为1150℃～1230℃。

3）挤压速率的选择：

挤压速率是影响挤压过程的另一个重要因素，一般说来，挤压速率越高，则挤压力越大，但在一定速率范围内，由于挤压程度的提高而产生变形热，使镍合金锭坯软化，则会降低挤压力，所以实际挤压力随挤压速率的升高是一个先提高、再降低、然后又提高的过程；挤压速率低，则挤压针和镍合金锭坯之间的传热时间比较长，挤压针会受热变形，因此本发明经过多次创造性试验后，最终选择挤压速率为40mm/s，既不会因受而变形，挤压力又不会太大。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种镍合金管坯的挤压成型方法，其特征在于，该方法为：将横截面形状为圆环形的镍合金锭坯加热至1150℃～1230℃，再利用挤压机将加热后的镍合金锭坯在挤压比为3.5～5.0，挤压速率为40mm/s的条件下进行挤压，然后将挤压后的镍合金锭坯进行水淬冷却，得到镍合金管坯；所述挤压机中的挤压模为锥形凹模，所述锥形凹模的模角α=60°。

2.根据权利要求1所述的一种镍合金管坯的挤压成型方法，其特征在于，所述镍合金为GH690镍合金或GH625镍合金。

3.根据权利要求1所述的一种镍合金管坯的挤压成型方法，其特征在于，在对加热后的镍合金锭坯进行挤压之前，需预先在镍合金锭坯的内外表面均匀涂抹润滑剂。

4.根据权利要求1所述的一种镍合金管坯的挤压成型方法，其特征在于，在对加热后的镍合金锭坯进行挤压之前，需预先将挤压机中的挤压筒、挤压针和挤压模均加热至350℃～380℃进行预热处理。

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