CN104070128B - 热锻用模具和热锻方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供在堆焊时也能够在任意的部位形成期望的堆焊层且经济性也优异、并且还能够适用于产品的大型化、高强度化的热锻用模具和使用该热锻用模具的热锻方法。一种热锻用模具，其是长工件用的热锻用模具，其中，上述热锻用模具是由多个热锻用模具片在长工件的长边方向上排成一列而成的一体的组装体，优选的是，在上述长工件的长边方向上，上述多个热锻用模具片的长度不均等。进一步优选的是，上述热锻用模具是4个以上的热锻用模具片的组装体，进一步优选的是，在上述热锻用模具片的冲击面上形成有合金层。

Description

热锻用模具和热锻方法

技术领域

本发明涉及热锻用模具和热锻方法。

背景技术

近年来，基于蒸汽涡轮的高效率化要求，在蒸汽涡轮中使用的涡轮叶片(以下仅称作“叶片”。)也逐渐长条化。在制造超过大约1500mm的长条的叶片坯料的情况下，主流是采用将坯料夹在上模与下模之间并通过大型的冲压锻造来将其成形为叶片坯料的方法。例如，在日本特开平4－46651号公报(专利文献1)中公开了如下一种叶片的制造方法的发明：使用三维形状优异的模腔来进行锻造，该模腔是将具有呈三维形状的型腔面(日文：型彫り面)的上模具和下模具的冲击面相互合模而构成的。此处公开的上模具和下模具是由一种金属材料以一体件的方式构成的(例如，参照专利文献1的图2和图4)。

另外，在日本特开平5－50236号公报(专利文献2)中存在一种硬化堆焊部的堆焊方法的发明，其特征在于，预先使母材的所需要的接合面形成为凹凸形状，将钨铬钴合金(stellite)等硬质材料至少堆焊至埋没该凹凸形状那样的厚度。以往，在该专利文献2中公开的硬化堆焊部的堆焊方法主要使用于发动机阀等小件的堆焊。

专利文献1：日本特开平4－46651号公报

专利文献2：日本特开平5－50236号公报

根据本发明者的研究，在对上述一体件的热锻用模具的冲击面进行堆焊时，若热锻用模具较大，则存在难以在期望的部位形成任意的堆焊层这样的问题。即，存在这样的问题：当欲在期望的部位形成任意的堆焊层时，不得不使用这样的焊接装置和模具支承装置等：能够将焊炬以任意的角度配置于或者移动至大型的热锻用模具的型腔面的任意的部位，从而用于进行堆焊的装置大型化。另外，在模腔(型腔面)的形状复杂的情况下，存在如下问题，即，存在将焊炬以任意的角度配置于型腔面的任意的部位本身就很困难的情况。

另外，在一体件的热锻用模具的局部上产生了裂纹等不能修复的缺陷的情况下，不得不将整个模具做废弃处理，而不经济。

发明内容

本发明的目的在于，提供在堆焊时也能够在任意的部位形成期望的堆焊层且经济性也优异、并且还能够适用于产品的大型化、高强度化的热锻用模具和利用该热锻用模具的热锻方法。

本发明是鉴于上述问题而提出的。

即，本发明提供一种热锻用模具，其是长工件用的热锻用模具，其中，上述长工件是涡轮叶片坯料，上述热锻用模具是由多个热锻用模具片在长工件的长边方向上排成一列而成的一体的组装体，上述热锻用模具的分割位置包括根部附近、毂部附近、罩部附近以及型腔面的角部，并且分割成5个以上的上述热锻用模具片，使上述热锻用模具片的在长边方向上的长度为100mm以上，在上述热锻用模具片的冲击面上形成有合金层，上述合金层使用热导率比上述热锻用模具片的材质的热导率低的材质，在上述热锻用模具片与上述合金层之间，形成与上述合金层不同的由固溶强化型耐热合金构成的其他合金层。

优选的是，在上述长工件的长边方向上，上述多个热锻用模具片的长度不均等。

进一步优选的是，上述热锻用模具是4个以上的热锻用模具片的组装体。

进一步优选的是，在上述热锻用模具片的冲击面上形成有合金层。

并且，在本发明的热锻用模具中，热锻用模具片的材质是两种以上的不同的金属材料。

另外，在本发明热锻用模具中，上述多个模具片通过嵌入到外框中或者通过拉杆而固定。

另外，在本发明的热锻用模具中，长工件是叶片用坯料。

另外，本发明提供一种热锻方法，其中，该热锻方法包括以下工序：第1工序，将作为长工件的被锻造坯料载置于热锻用模具的表面；以及第2工序，对作为上述长工件的被锻造坯料进行热锻，上述热锻用模具是多个热锻用模具片的组装体，上述多个热锻用模具片在长工件的长边方向上排成一列而成为一体。

采用本发明的热锻用模具，在堆焊时也能够在任意的部位形成期望的堆焊层且经济性也优异、并且还能够适用于产品的大型化、高强度化。

附图说明

图1是本发明的热锻用模具的示意图。

图2是将本发明的热锻用模具嵌入到外框中而固定时的示意图。

图3是利用拉杆将本发明的热锻用模具固定时的示意图。

具体实施方式

使用附图说明本发明的热锻用模具。

图1是本发明的热锻用模具的示意图，该热锻用模具应用于例如叶片那样的长工件。此外，在本发明所述的“热锻”中还包括恒温锻造和热模锻造(日文：ホットダイ)。

本发明的热锻用模具1是将多个模具片2排成一列而成的一体件的热锻用模具。由此，能够使各个模具片2的大小变小。因此，在没有重新准备特别的大型堆焊机的情况下对型腔面进行堆焊时，对于金属片2，易于单独地在期望的部位形成任意的厚度、形状的堆焊层。

另外，即使在一部分的模具片产生了裂纹的情况下，也可以仅更换该模具片。由此，能够制成在经济性上也有优势的热锻用模具。

此外，作为模具片的材质，能够选择例如日本JIS标准规定的SKD61、SKT4等热作模具用钢，除此之外，例如，在要使模具高强度化的情况下，能够选择Alloy718等Ni基超耐热合金、高速工具钢。另外，在本发明中，能够根据施加于各个模具片的负荷的大小而组合不同材质的模具片而构成热锻用模具，或者，出于易于分散热锻时的应力集中的部位和易于进行堆焊的目的，也能够将型腔面的角部分割来降低施加于各模具片的应力。通过上述方法组合，能够提高热锻用模具的寿命。

另外，在图1中，在自热锻用模具的短边侧观察热锻用模具时的形状为矩形，但也该形状可以为梯形。若为梯形，则在后述的、例如利用外框进行固定而将该热锻用模具用作上模时，能够防止热锻用模具的落下。

另外，在本发明中使用的模具片2的长度(长工件的长边方向上的长度)也可以为不均等。其原因在于，由于在热锻中的被锻造件上产生扭转作用，因此，例如模具片2的被施加有较大应力的部位处的长度变长、或者相反地模具片的应力较小的部位处的长度变短，由此，在制成模具片2的组装体时，能够使作用于整个热锻用模具的应力分散。另外，根据需要，预先利用模拟来验证各模具片要被施加有应力的部位而确定分割位置是优选的，如果即使对于被施加较大应力的部位也需要不得不进行分割的情况下，例如，如图1的右角所示，通过进一步将模具片在高度方向上倾斜地分割而使应力降低的做法是有效的。

另外，对于各模具片的在长边方向上的长度，可以考虑施加于热锻用模具的应力、模具片本身所具有的材料强度而确定长度。尤其是，在使用数万吨以上的热锻机时，由于施加于模具片的应力也变大，因此，若使长度过短，则有可能使模具片破坏，由此优选使各模具片的在长边方向上的长度最低为100mm以上。

另外，在本发明中，能够使热锻用模具1是4个以上的热锻用模具片的组装体。如上所述，通过使模具片的长度不均等，能够使应力分散。例如，由于在自锻造的初始阶段进行至最终阶段的各阶段中施加于组装后的热锻用模具的应力因各模具片而不同，因此，例如，在叶片的情况下，通过对热锻用模具的根部附近、毂部(日文：ボス部)附近、罩部(日文：カバー部)附近的部分进行分割而将其进一步分割为多个模具片，从而能够更加可靠地使应力分散。尤其是，在使用几万吨以上的热锻机的情况下，在使用本发明的热锻用模具时，优选分割成5个以上的热锻用模具片，更优选分割成7个以上的热锻用模具片。

并且，若在本发明中使热锻用模具1由4个以上的热锻用模具片构成，则能够减小单个模具片的重量。当欲将以往那样的一体化的模具使用于大型产品的热锻时，总会使淬火时的冷却速度降低而出现阻碍韧性的贝氏体那样的金属组织，从而使韧性劣化。与此相对，在本发明中，例如，即使在将上述JIS规定的SKD61、SKT4等热作模具用钢用作模具片的情况下，也能够特别是提高在模具片的淬火时的冷却速度。其结果，能够充分发挥SKD61、SKT4等热作模具用钢所具有的优异的高温强度和高韧性，从而能够制成兼具有高强度和高韧性的模具片。因此，为了能够降低热锻用模具片的重量，优选设置4个以上的热锻用模具片。

另外，在本发明中，也可以在热锻用模具片的冲击面上形成合金层。

若在热锻时被施加有较大负荷的部位，合金层选定能够实现高强度化的材质，则能够提高模具片的寿命。另外，当将所使用的合金层选定为热导率比模具片的材质的热导率低的材质时，还能够获得在热锻中防止被锻造件的温度降低的效果。

为了获得上述高寿命化、防止温度降低这两个效果，例如，优选形成Ni基超耐热合金制的合金层，其中，尤其优选使用以下那样构成的合金：以质量％计含有B：0％～0.02％、C：0.01％～0.15％、Mg：0％～0.01％、Al：0.5％～2％、Si：0％～1％、Mn：0％～1％、Ti：1％～3％、Cr：15％～22％、Co：2％～15％、Nb：0％～3％、Mo：3％～7％、Ta：1％～7％、W：3％～7％、且单独含有1％～7％的Ta或合计含有1％～7％的Ta+2Nb，剩余成分为Ni和杂质。

此外，在形成堆焊层的情况下，优选的是，在模具片与堆焊层之间，利用堆焊形成与堆焊层不同的由固溶强化型耐热合金构成的合金层，以提高焊接性并降低在模具片的母材与冲击面之间产生的应力。

本发明所述的固溶强化型耐热合金指的是，在具有例如JIS－G4901、G4902所示的成分的合金中的具有使合金元素固溶而具有能够强化基体(matrix)的成分的合金、在ASTM－A494中记载的合金。

在示出典型的成分范围时，以质量％计该合金含有如下元素，C：0.15％以下，Cr：15％～30％、Co：0％～3％、Mo：0％～30％、W：0％～10％、Nb：0％～4％、Ta：0％～4％、Ti：0％～1％、Al：0％～2％、Fe：0％～20％、Mn：0％～4％，剩余成分是Ni和杂质。

如图2、图3所示，对于上述本发明的热锻用模具，可以将其嵌入到外框3中而固定，或者也可以利用拉杆4来固定热锻用模具。当然，也可以将基于拉杆的固定和将热锻用模具嵌入到外框中而固定这两种方法组合。

采用上述任意一种固定方法，均能够将由本发明的热锻用模具片2的组装体构成的热锻用模具1固定。

以上说明的本发明的热锻用模具优选用于在锻造长度为500mm以上的长条的叶片的情况，更加优选应用于在锻造1000mm以上的长条的叶片的情况，进一步优选应用于在锻造1500mm以上的长条叶片的情况。

以下说明具体实施方式。

作为该实施方式，说明作为长工件的大约1550mm的涡轮叶片用的热锻用模具。此处说明的热锻用模具是利用几万吨的载荷来进行热锻的热锻用模具。

图1所示那样的热锻用模具1由9个(在图中为6个)模具片2构成。模具片2的分割位置是根据预先进行的模拟结果确认了的应力集中部和易于进行堆焊的位置，9个(在图中为6个)模具片2是在分割位置进行分割而成的。各个模具片的长度均超过100mm。分割位置包括根部附近、毂部附近、罩部附近，进行应力的分散。另外，对于在锻造时要被施加较大载荷的模具片2，其长度较长且由高强度材料的高速工具钢制成。其他的模具片由JIS－SKD61制成，并能够根据施加于模具片2的载荷的大小而改变材质。

在各个模具片2的模腔(型腔面)上形成有通过堆焊而形成的Ni基超耐热合金的合金层(未图示)。

上述模具片2在如图3所示那样通过拉杆4固定之后，将上述模具片2如图2所示那样安装于外框3而成为热锻用模具。

作为上述图1所示的热锻用模具的制造方法，例如，能够利用以下那样的工序来制造热锻用模具。

首先，针对每个模具片准备坯料，之后，以使在一体化时模具片排成一列的方式将坯料机械加工成期望的尺寸。此时，使在从例如图1所示那样的热锻用模具的短边侧观察热锻用模具时的形状为矩形、或者为了用作上模而使该形状为梯形。

接下来，针对每个模具片，利用机械加工而将其粗加工成型腔面形状。利用堆焊在进行了粗加工的型腔面上形成Ni基超耐热合金的合金层。此时，由于预先在易于进行堆焊的位置处进行了分割，因此，能够在任意的部位形成任意的厚度的合金层。此外，难以进行堆焊的位置指的是，例如型腔面的角部、型腔面的深度较深的位置等。

然后，将具有通过堆焊而形成了的合金层的、进行了粗加工的模具片暂时排列在作为热锻用模具的规定的位置，并利用系紧螺栓等加以固定。在该状态下，对上述模具片进行作为精加工的机械加工，从而制成最终的型腔面。

此外，在为了充分发挥各模具片的材质所具有的优异的高温强度和高韧性而进行热处理时，可以对模具片的坯料进行淬火和回火，或者也可以对堆焊前的进行了粗加工的模具片的中间件进行淬火和回火。

然后，能够通过如下方法制成热锻用模具：将形成有上述最终型腔面的热锻用模具嵌入到外框中的方法、基于拉杆的固定的方法、或者将基于拉杆的固定和将热锻用模具嵌入到外框中而固定这两种方法组合。

在使用上述热锻用模具而热锻涡轮叶片那样的长工件的情况下，能够以如下方式进行热锻：将加热到期望的加热温度的作为长工件的被锻造坯料载置于热锻用模具的表面，接下来，利用对作为上述长工件的被锻造坯料进行热锻的第2工序进行热锻。

采用以上的说明的本发明，在堆焊时也能够在任意的部位形成期望的堆焊层且经济性也优异、并且还能够适用于产品的大型化、高强度化。

附图标记说明

1、热锻用模具；2、模具片；3、外框；4、拉杆。

Claims (6)

1.一种热锻用模具，其是长工件用的热锻用模具，其特征在于，

上述长工件是涡轮叶片坯料，

上述热锻用模具是由多个热锻用模具片在长工件的长边方向上排成一列而成的一体的组装体，

上述热锻用模具的分割位置包括根部附近、毂部附近、罩部附近以及型腔面的角部，并且分割成5个以上的上述热锻用模具片，

使上述热锻用模具片的在长边方向上的长度为100mm以上，

在上述热锻用模具片的冲击面上形成有合金层，

上述合金层使用热导率比上述热锻用模具片的材质的热导率低的材质，

在上述热锻用模具片与上述合金层之间，形成与上述合金层不同的由固溶强化型耐热合金构成的其他合金层。

2.根据权利要求1所述的热锻用模具，其特征在于，

在上述长工件的长边方向上，上述多个热锻用模具片的长度不均等。

3.根据权利要求1或2所述的热锻用模具，其特征在于，

热锻用模具片的材质是两种以上的不同的金属材料。

4.根据权利要求1或2所述的热锻用模具，其特征在于，

上述多个热锻用模具片通过嵌入到外框中而固定。

5.根据权利要求1或2所述的热锻用模具，其特征在于，

上述多个热锻用模具片通过拉杆而固定。

6.一种热锻方法，其特征在于，

该热锻方法包括以下工序：

第1工序，将作为长工件的被锻造坯料载置于热锻用模具的表面；以及

第2工序，对作为上述长工件的被锻造坯料进行热锻，

上述长工件是涡轮叶片坯料，

上述热锻用模具是多个热锻用模具片的组装体，上述多个热锻用模具片在长工件的长边方向上排成一列而成为一体，

上述热锻用模具的分割位置包括根部附近、毂部附近、罩部附近以及型腔面的角部，并且分割为5个以上的上述热锻用模具片，

使上述热锻用模具片的在长边方向上的长度为100mm以上，

在上述热锻用模具片的冲击面上形成有合金层，

上述合金层使用热导率比上述热锻用模具片的材质的热导率低的材质，

在上述热锻用模具片与上述合金层之间，形成与上述合金层不同的由固溶强化型耐热合金构成的其他合金层。