CN108097854A - 一种大型金属构件高均匀性短流程成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属成形领域，特别是一种大型金属构件高均匀性短流程成形方法。首先将浇注后的合金铸锭进行超高温脱模；然后均热液芯铸锭实现对铸锭芯部液相分数的精确控制，将铸锭在锻压机下进行轴向镦拔，使铸锭液芯处的树枝晶充分破碎、球化，形成均匀细小的半固态组织；最后对铸锭进行径向轴向锻造，锻造成所需的大型金属构件结构。本发明解决了铸锭内部的缩孔疏松和枝晶偏析等问题，大型金属构件的中心力学性能可达到表面的性能水平，提高了构件整体性能的均匀性；铸锭芯部形成均匀细小的半固态组织，使最终锻件具有良好的综合性能；成形压力小，降低了对锻造设备能力的要求，缩短了工艺流程，可有效降低生产成本。

Description

一种大型金属构件高均匀性短流程成形方法

技术领域

本发明涉及金属成形领域，特别是一种大型金属构件高均匀性短流程成形方法。

背景技术

随着科学技术的进步和现代工业发展的需要，航空、航天、电力、石化、船舶等高端装备正向大型化、高参数、极端恶劣条件下高可靠、长寿命服役的方向快速发展，致使其铝合金、镁合金、钛合金、高强钢、高温合金等关键金属构件尺寸越来越大、结构日益复杂、性能要求日益提高，对大型金属构件制造技术的要求也越来越高。

大型金属构件一般由大型铸锭锻造而成。铸锭是铸态组织，由于金属凝固收缩而不可避免地产生大量的显微缩孔和疏松缺陷，这些孔洞型缺陷弥散分布在铸锭芯部，破坏了材料的连续性；同时，由于凝固过程的溶质再分配，凝固末端不但合金浓度高，而且往往富集杂质元素，形成枝晶偏析，破坏材料的均匀性，这都将会造成大型锻件整体性能不足，而且锻件各个方向上的力学性能差距十分明显。由于大型金属构件工作时要承受轴压、轴拉、内压、外压和局部应力集中等多种复杂载荷，对锻件的性能要求极高，采用传统工艺制造的锻件难以满足其使用要求。另一方面，大型金属构件的锻造不仅需要万吨级以上的重型锻造装备及大型锻造模具，技术难度大，而且材料切削量大，材料应用率低，生产周期长、成本高。

近年来，有研究人员提出采用半固态锻造工艺生产铝合金客车轮毂等金属锻件。半固态锻造工艺是通过制备具有细小均匀的球状组织的半固态坯料，将制成的坯料经二次加热后，在预热的模具型腔内直接锻造成形，获得接近成品尺寸零件的工艺。半固态锻造工艺有利于消除缩孔、疏松、气孔等缺陷，使锻件具有更高的组织致密性及更好的力学性能，同时需要的锻压力比传统锻造工艺更低，可实现复杂零部件的一次近终锻造成形。

发明内容

本发明在已有的半固态锻造工艺的基础上，提出一种用于大型金属构件成形的高效率、高均匀性、短流程的半固态液芯锻造方法，这种方法可以消除金属铸锭内部的缩孔疏松，减轻枝晶偏析等冶金缺陷，细化组织，从而显著提高大型金属构件的力学性能和整体性能的均匀性，缩短加工周期，降低对锻造设备的要求，提高模具使用寿命，可有效的降低生产成本。

本发明的技术方案为：

一种大型金属构件高均匀性短流程成形方法，首先将浇注后的合金铸锭进行超高温脱模；然后均热液芯铸锭实现对铸锭芯部液相分数的精确控制，将铸锭在锻压机下进行轴向镦拔，使铸锭液芯处的树枝晶充分破碎、球化，形成均匀细小的半固态等轴晶组织，消除缩孔疏松和枝晶偏析，提高铸锭组织性能的均匀性；最后对铸锭进行径向轴向锻造，根据所需要的加工产品尺寸，锻造成所需的大型金属构件结构。

所述的大型金属构件高均匀性短流程成形方法，具体步骤如下：

第一步，铸锭的熔炼制备：熔炼合金溶液，根据合金成分和种类的不同，控制合金熔液的铸造温度和铸造速度；

第二步，封闭冒口顶部：采用喷淋装置，持续作用于合金铸锭冒口，使冒口顶部完全凝固；

第三步，超高温脱模：将铸锭带液芯超高温脱模，控制脱模后的铸锭锭身表面温度和中心温度；对于铝镁有色金属，铸锭锭身表面温度低于液相线温度120℃～155℃，对于黑色金属，铸锭锭身表面温度低于液相线温度170℃～235℃；

第四步，液芯铸锭均热：将冒口凝固的液芯铸锭装入均热炉进行加热，精确控制铸锭的表面温度与液芯温度，并保温0.5～2h，准备锻造；

第五步，轴向墩拔：将铸锭运送到锻压机上进行轴向墩粗，墩粗后再将锭坯拔长，在可锻温度范围内，多次重复该步骤；

第六步，径向轴向锻造：镦拔完毕后进行径向轴向锻造，将合金铸锭锻造成最终构件的形状及尺寸。

所述的大型金属构件高均匀性短流程成形方法，第一步中，确定合金的化学成分，根据各元素的质量分数称取原料，然后加入到熔炼炉中熔炼成合金熔液。

所述的大型金属构件高均匀性短流程成形方法，第二步中，冒口顶部完全凝固时，冒口表面温度低于固相线温度。

所述的大型金属构件高均匀性短流程成形方法，第三步中，铸锭脱模时间采用计算机模拟计算确定，铸锭模设计为倒锥式，即上小下大，脱模时冒口箱和锭身同时脱除。

所述的大型金属构件高均匀性短流程成形方法，第四步中，铸锭芯部液相率在0.2～0.5时半固态液芯锻造的组织性能最好，对于铝镁有色金属，铸锭芯部与表面温差控制在120～155℃，对于铝镁有色金属，铸锭芯部与表面温差控制在170～235℃。铸锭均热时间与温度根据计算机模拟计算确定，使铸锭表面温度均匀。

所述的大型金属构件高均匀性短流程成形方法，第五步中，为保证充分破碎树枝晶并形成半固态球状组织，同时避免铸锭产生表面裂纹或液芯流出，拔长和墩粗的单次变形量应在30～40％。

所述的大型金属构件高均匀性短流程成形方法，第六步中，将合金铸锭锻造至最终构件尺寸，若温度低于终锻温度，则回加热炉加热后，执行下一锻造火次。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点和有益效果：

1、锻件的均匀性大幅提升：由于合金铸锭中心的超高温大变形，细化材料组织，彻底消除了缩孔疏松，减轻了枝晶偏析缺陷，具有很高的组织均匀性，大型金属构件的中心力学性能可接近甚至达到表面的性能水平，从而提高大型金属构件整体性能的均匀性。

2、锻件的组织性能大幅提升：在半固态液芯锻造的过程中，对铸锭的轴向反复镦拔可对液芯凝固末端的树枝晶起到类似机械搅拌的效果，在铸锭芯部形成组织均匀细小、球化好、流动性好的半固态组织，使最终锻件具有良好的综合力学性能，在工作时可以出色地承受轴压、轴拉、内压、外压和局部应力集中等复杂载荷，能够满足大型金属构件的性能要求。

3、大幅缩短加工周期和生产成本：采用高温脱模可有效缩短冷却时间和后续加热时间，大幅提高生产效率，并延长了铸锭模使用寿命；由于半固态组织具有很好的流动性，成形压力小，可以明显延长锻造模具的使用寿命，降低了对锻造设备能力的要求，缩短了工艺流程，可有效的降低生产成本。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

图2为半固态液芯锻造时，铸锭液芯处半固态组织的演化过程示意图：其中，(a)液芯处结晶开始时，凝固末端的树枝晶和残余液相，(b)在压力作用下，液芯的形状发生改变，凝固末端的树枝晶也发生变形，(c)由于轴向镦拔产生类似机械搅拌的作用，树枝晶被打断，形成更多细小的晶粒，其自身结构也逐渐向蔷薇形演化，(d)随着温度的下降，晶粒由最初的蔷薇形演化为更简单的球形结构，(e)在固相线温度以下变形，最终芯部的液相完全消失，形成球状的等轴晶组织。

图3为实施例1中获得的7075铝合金构件芯部金相组织的光学显微镜照片。

图4为实施例2中获得的S34MnV钢质构件芯部金相组织的光学显微镜照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

7075铝合金是Al-Zn-Mg-Cu系铝合金中典型的代表合金，是航空航天工业必不可少的材料，7075铝合金为热处理强化型铝合金，具有常温机械性能高、固溶温度范围宽、时效强化效应高、断裂韧性好等特点，7075铝合金锻件被广泛应用于飞机部件和宇航结构部件，如航空叶片、飞机起落架等等。实施例1中7075铝合金的化学成分如下(重量百分数，％)

元素

Zn

Mg

Cu

Cr

Mn

Fe

Al

实测成分

5.57

2.57

1.45

0.21

0.3

0.5

余

本实施例以7075铝合金圆铸锭为原料制造大型金属构件，采用半固态液芯锻造方法，工艺流程如图1所示，其步骤如下：

1、熔炼铝合金熔液，将铝合金熔液按铸造温度760℃、铸造速度30mm/min的工艺进行铸造；

2、采用喷淋装置，持续作用于铝合金铸锭冒口，使冒口顶部完全凝固；

3、铝合金铸锭带液芯超高温脱模，铸锭表面温度为470℃，中心保持在590℃以上，得到直径为φ588mm，高度为1690mm的7075铝合金圆铸锭；

4、将冒口凝固的带液芯铝合金圆铸锭放置在均热炉内加热，根据计算机模拟计算的结果和半固态液芯锻造的需要，铸锭表面温度为485℃，铸锭液芯温度控制在620℃，铸锭中心的液相率为0.5，并保温0.5h；

5、将带液芯铝合金铸锭快速运送到锻压机上，铸锭轴向变形量为40％，进行轴向墩粗，墩粗后拔长锻造，迅速成形到墩粗前的形状尺寸，在锻造温度范围内，重复该步骤3次；

6、铝合金铸锭半固态液芯锻造完毕后进行径向轴向锻造，根据所需要加工的产品尺寸，进一步锻造成型加工成所需航空锻件的结构。

实施例2

S34MnV钢为船用组合式曲轴专用钢种，属于中碳低合金结构钢，加入Mn用以强化铁素体和细化珠光体的作用，提高钢的强度，加入微量的V用以消除锰钢的过热敏感性。实施例2中S34MnV钢的化学成分如下(重量百分数，％):

元素

C

Mn

Ni

V

Mo

Cr

Si

Fe

实测成分

0.35

1.3

0.28

0.10

0.12

0.28

0.15

余

本实施例以S34MnV钢圆铸锭为原料制造大型金属构件，采用半固态液芯锻造方法，工艺流程如图1所示，其步骤如下：

1、熔炼钢水，将钢水按铸造温度1550℃、铸造速度50mm/min的工艺进行铸造；

2、采用喷淋装置，持续作用于钢锭冒口，使冒口顶部完全凝固；

3、铸锭带液芯超高温脱模，锭身表面温度为1250℃，中心保持在1450℃以上，得到直径为φ590mm，高度为1710mm的S34MnV圆钢锭；

4、将冒口凝固的带液芯钢锭放置在均热炉内加热，根据计算机模拟计算的结果和半固态液芯锻造的需要，钢锭表面温度为1300℃，钢锭液芯温度保持在1480℃，钢锭中心的液相率为0.4，并保温1.5h；

5、将带液芯钢锭快速运送到锻压机上，钢锭轴向变形控制在35％，进行轴向墩粗，墩粗后拔长锻造，迅速成形到墩粗前的形状尺寸，在锻造温度范围内，重复该步骤3次；

6、钢锭半固态液芯锻造完毕后进行径向轴向锻造，根据所需要加工的产品尺寸，进一步锻造加工成所需大型金属构件的结构。

对于实施例1和实施例2中的7075铝合金构件和S34MnV钢质构件取锻件中心试样，采用光学显微镜对试样金相组织进行分析，具体组织照片见图3和图4，由图中可以看出，实施例1和实施例2中的锻件中心组织都得到充分细化且均为细小均匀的球状等轴晶组织，未见有与表面垂直的柱状晶区，未见夹杂、化合物偏析等冶金缺陷。采用本发明的高均匀性短流程成形方法显著地改善了大型金属构件的均匀性与组织性能，可满足各类大型金属构件的使用需求，大幅度提高金属构件的综合性能。

Claims (8)

1.一种大型金属构件高均匀性短流程成形方法，其特征是，首先将浇注后的合金铸锭进行超高温脱模；然后加热液芯铸锭实现对铸锭心部液相分数的精确控制，将铸锭在锻压机下进行轴向镦拔，使铸锭液芯处的树枝晶充分破碎、球化，形成均匀细小的半固态等轴晶组织，消除缩孔疏松和枝晶偏析，提高铸锭组织性能的均匀性；最后对铸锭进行径向轴向锻造，根据所需要的加工的产品尺寸，锻造成型成所需的大型金属构件的结构。

2.根据权利要求1所述的大型金属构件高均匀性短流程成形方法，其特征是，具体步骤如下：

第一步，铸锭的熔炼制备：熔炼合金溶液，根据合金成分和种类的不同，控制合金熔液的铸造温度和铸造速度；

第二步，封闭冒口顶部：采用喷淋装置，持续作用于合金铸锭冒口，使冒口顶部完全凝固；

第三步，超高温脱模：将铸锭带液芯超高温脱模，控制脱模后的铸锭锭身表面温度和中心温度；对于铝镁有色金属，铸锭锭身表面温度低于液相线温度120℃～155℃，对于黑色金属，铸锭锭身表面温度低于液相线温度170℃～235℃；

第四步，液芯铸锭均热：将铸完的液芯铸锭装入均热炉进行加热，精确控制铸锭的表面温度与液芯温度，并保温0.5～2h，准备锻造；

第五步，轴向墩拔：将铸锭运送到锻压机上进行轴向墩粗，墩粗后再将锭坯拔长，在可锻温度范围内，多次重复该步骤；

第六步，径向轴向锻造：镦拔完毕后进行径向轴向锻造，将合金铸锭锻造成最终构件的形状及尺寸。

3.根据权利要求1所述的大型金属构件高均匀性短流程成形方法，其特征是，第一步中，确定合金的化学成分，根据各元素的质量分数称取原料，然后加入到熔炼炉中熔炼成合金熔液。

4.根据权利要求1所述的大型金属构件高均匀性短流程成形方法，其特征是，第二步中，冒口顶部完全凝固时，冒口表面温度低于固相线温度。

5.根据权利要求1所述的大型金属构件高均匀性短流程成形方法，其特征是，第三步中，铸锭脱模时间采用计算机模拟确定，铸锭模设计为倒锥式，即上小下大，脱模时冒口箱和锭身同时脱除。

6.根据权利要求1所述的大型金属构件高均匀性短流程成形方法，其特征是，第四步中，铸锭芯部液相率在0.2～0.5，对于铝镁有色金属，铸锭芯部与表面温差控制在120～155℃，对于黑色金属，铸锭芯部与表面温差控制在170～235℃；铸锭均热时间与温度根据计算机模拟确定，铸锭表面温度均匀就出炉锻造。

7.根据权利要求1所述的大型金属构件高均匀性短流程成形方法，其特征是，第五步中，为保证充分破碎树枝晶并形成半固态球状组织，同时避免铸锭产生表面裂纹或液芯流出，拔长和墩粗的单次变形量控制在30～40％。

8.根据权利要求1所述的大型金属构件高均匀性短流程成形方法，其特征是，第六步中，将合金铸锭锻造至最终构件尺寸，若温度低于终锻温度，则回加热炉加热后，执行下一锻造火次。