CN112676519B - 电极电阻率梯度变化的大规格电镦方法与砧子电极 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电极电阻率梯度变化的大规格电镦方法，在电镦作用下，杆坯逐渐径向增大至形成蒜头；在蒜头径向增大到蒜头中央即将产生轴向下沉趋势的尺寸时，将此时蒜头边缘与砧子电极接触的环带区域作为砧子电极上的环形抑制区；增大环形抑制区的电阻率以局部减小电流密度；在蒜头径向增大的过程中，不断到达所述环形抑制区的坯料的电流密度降低使得温度降低，从而抑制蒜头对应于环形抑制区的环形部位的流动性，进而抑制蒜头对应于环形抑制区的环形部位带动蒜头中央进行轴向流动的趋势，最终使得蒜头中央的下沉趋势得到抑制。本发明解决了无法通过改变电镦加载参数来改善端面凹陷的问题，在改善端面凹陷的同时使得蒜头晶粒匀细化程度得到提高。

Description

电极电阻率梯度变化的大规格电镦方法与砧子电极

技术领域

本发明属于材料加工工程中金属塑性成形领域。

背景技术

电镦工艺满足超大变截面的长杆制件局部精确聚料的需要。电热镦粗工艺耦合了电热力三种物理场，在砧子电极与夹持电极之间通电流，通过接触电阻和自身电阻加热，并在坯料右端施加一定的镦粗力，冷端的坯料被送入砧子电极与夹持电极之间的加热区域，使坯料逐渐发生塑性变形完成局部聚料。由于塑性变形区域被严格约束在加热区域，所以能快速实现较大变形量的制件。

在电镦成形超大规格气阀件时，由于大规格气阀的变截面较大成形时的聚料较多，且Nimonic 80A超合金的电镦成形工艺参数范围较窄，对温度极其敏感。电镦成形过程中随着电流密度和镦粗力的增加，杆坯端面底部的坍塌也随之加深，从而形成较大凹坑。本专利中，使用端面坍塌最低处距砧子电极的距离，即下沉深度H来表示此缺陷的大小，如图1。一方面，端面凹陷会导致内凹处电流密度增大和难以接受砧子电极的压力，而使得温度过高和晶粒动态再结晶减少，极易引起坯料端面处的晶粒分布不均匀，即混晶现象。另一方面，坯料在后续模锻过程中与上模的贴合并不是十分紧密，有一定程度的不完全贴合，增加了端面环形沟槽和“闭气”问题的风险。

发明内容

针对上述技术的不足，本发明提供了一种电极电阻率梯度变化的大规格电镦方法，解决无法通过改变电镦加载参数来改善端面凹陷的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种电极电阻率梯度变化的大规格电镦方法，包括以下步骤：

在电镦作用下，杆坯逐渐径向增大至形成蒜头；

从蒜头径向增大到蒜头中央与砧子电极产生分离趋势时到蒜头端面凹陷达到稳定时，砧子电极与蒜头边缘接触的环带区域作为砧子电极上的环形抑制区；

增大所述环形抑制区上的电阻率以局部减小电流密度；

在蒜头径向增大的过程中，不断到达所述环形抑制区的坯料的电流密度降低使得温度降低，从而抑制蒜头对应于环形抑制区的环形部位的流动性，进而抑制蒜头对应于环形抑制区的环形部位带动蒜头中央进行轴向流动的趋势，最终使得蒜头中央的下沉趋势得到抑制。

进一步的，砧子电极的表层采用3D打印制成，采用电阻率较高的材料打印环形抑制区，采用电阻率较低的材料打印其余区域。或者通过在砧子电极上的所述环形抑制区上涂镀电阻材料来增大电阻率。

进一步的，按如下方式在所述环形抑制区上涂镀电阻材料：在所述环形抑制区的内环区域、外环区域分别涂镀两种不同的电阻材料形成内环镀层与外环镀层，并使得外环镀层的电阻率大于内环镀层的电阻率。

进一步的，在所述环形抑制区外涂度一层电阻率小于内环镀层材料的电阻材料形成附加镀层。

本发明还提供一种改善电镦成形件端面凹陷缺陷的砧子电极，在砧子电极的环形抑制区上涂镀能够增大电阻率的电阻材料；所述环形抑制区是根据电镦成形过程中杆坯的成形特性来预先确定的：在蒜头径向增大到蒜头中央即将产生轴向下沉趋势的尺寸时，将此时蒜头边缘与砧子电极接触的环带区域作为砧子电极上的环形抑制区。

与现有技术相比，本发明具有的优点包括：

1、在电镦的过程中，外侧坯料斜向流动进行聚料，斜向流动产生径向分力使蒜头增大，轴向分力的反作用力使外侧坯料产生轴向流动趋势并会带动杆坯中心部分产生轴向流动趋势，一旦蒜头径向增大到一定程度（根据杆坯材料的成形特性而定）杆坯中心部分就会有发生端面凹陷的趋势，若不及时阻止凹陷，凹陷就会越来越严重，凹陷范围会越来越大，凹陷的轴向下沉深度也会越来越大；伴随着凹陷的增大，蒜头端面中央逐渐脱离砧子电极，蒜头端面中央难以接受砧子电极的压力，难以产生动态再结晶使蒜头中央晶粒细化，最终导致蒜头中央晶粒较***的晶粒要粗。同时，蒜头端面中央缺少接触电阻，使得温度过高，极易引起晶粒粗化。本发明是在电镦件成形的过程中来动态预防端面凹陷，通过环形抑制区对轴向流动进行抑制，将蒜头中央的凹陷扼杀在起始阶段，避免凹陷逐渐扩大和加深。环形抑制区抑制了对应外侧坯料的斜向流动，从而抑制轴向分力的反作用力以及应外侧坯料的轴向流动，以预防中央凹陷的发生。

2、由于抑制了蒜头中央的凹陷，蒜头中央能够与砧子电极紧密接触，蒜头中央能够接受砧子电极的压力以产生动态再结晶使蒜头中央晶粒细化；同时，蒜头中央与砧子电极之间的接触电阻也使得蒜头中央的电流密度下降以及温度下降，蒜头中央晶粒得到细化，从而使得蒜头晶粒匀细化程度得到提高。

3、由于本发明能够使得蒜头中央始终与砧子电极接触，使得蒜头中央的温度降低，而蒜头中央的温度降低也能抑制蒜头中央的轴向流动，使蒜头中央的下沉趋势再次得到抑制。

4、在环形抑制区的内环、外环分别涂镀两种不同的电阻材料形成内环镀层与外环镀层，并使得外环镀层的电阻率大于内环镀层的电阻率，这样就能通过内环镀层形成过渡，避免到达外环镀层的坯料温度下降过快而影响热成形性。

5、坯料到达附加镀层后，电流密度基本回复到与蒜头中央一致，保证蒜头的热成形性。

附图说明

图1 是下沉深度的示意图；

图2是本具体实施方式中砧子电极的示意图；

图3是本具体实施方式中的电镦原理示意图；

图4是对比例在电镦500s时的电镦模拟成形形状；

图5是本具体实施方式在电镦500s时的电镦模拟成形形状；

图6是对比例在电镦900s时的电镦模拟成形形状；

图7是本具体实施方式在电镦终了时的电镦模拟成形形状；

图8是对比例在电镦终了时的电镦模拟成形形状；

图9是本具体实施方式在电镦终了时的电镦模拟成形形状。

具体实施方式

参考图2所示，1为砧子缸，2为次级变压器，3为夹持缸，4为夹持电极，5为杆坯，6为镦粗缸砧子，7为环形带镀层，8为砧子电极。

一种电极电阻率梯度变化的大规格电镦方法，包括以下步骤：

在电镦作用下，杆坯5逐渐径向增大至形成蒜头；

在蒜头径向增大到蒜头中央与砧子电极产生分离趋势时，将此时砧子电极与蒜头边缘接触的环带区域作为砧子电极上的环形抑制区（不设置外环区域时）；

增大所述环形抑制区上的电阻率以局部减小电流密度；

在蒜头径向增大的过程中，不断到达所述环形抑制区的坯料的电流密度降低使得温度降低，从而抑制蒜头对应于环形抑制区的环形部位的流动性，进而抑制蒜头对应于环形抑制区的环形部位带动蒜头中央进行轴向流动的趋势，最终使得蒜头中央的下沉趋势得到抑制。

砧子电极上的环形抑制区是根据电镦成形过程中杆坯的成形特性来预先确定的，可以采用有限元模拟来快速的确定环形抑制区。

采用如下方法确定出所述环形抑制区：

采用电阻率均匀的砧子电极对待镦杆坯进行电镦模拟，在蒜头径向增大到蒜头中央与砧子电极产生分离趋势时，将此时砧子电极与蒜头边缘接触的环带区域作为砧子电极上的环形抑制区的内环区域；在蒜头端面凹陷达到稳定时，将此时蒜头边缘与砧子电极接触的环带区域作为砧子电极上的环形抑制区的外环区域。

确定出环形抑制区后，可以采用以下方式制备砧子电极：1）砧子电极的表层采用3D打印制成，采用电阻率较高的材料打印环形抑制区，采用电阻率较低的材料打印其余区域。2）通过在砧子电极上的所述环形抑制区上涂镀电阻材料来增大电阻率。

本具体实施方式中电镦有限元模拟所采用的有限元模型如下：

采用的Ni80A耐热合金杆坯的直径为85mm，长度为3700mm，坯料总行程3750mm。电镦成形前对坯料进行倒圆角处理，半径为22mm。

砧子电极的耐磨性、抗氧化能力、电阻率（低）等一系列物理性能要求较高，所以模拟使用TZM钼基高温合金。砧子电极镀层区域材料的电阻率高于砧子电极。

本具体实施方式采用涂度电阻材料来制备砧子电极，参考图3所示，环形抑制区的内环区域、外环区域分别涂镀两种不同的电阻材料形成内环镀层701与外环镀层702，并且外环镀层701的电阻率大于内环镀层701的电阻率。在所述环形抑制区外涂度一层电阻率小于内环镀层材料的电阻材料形成附加镀层703。

涂镀层材料选用原则:

① 环形带涂镀材料从内至外遵循电阻率由小到大再到小的规律，同时最内层材料的电阻率要高于最外层材料的电阻率。

② 环形带镀层材料不同，则每种镀层所占的径向长度依据不同规格电镦件的成形特点决定。

内环镀层为铟锡氧化物薄膜镀层，外环镀层为氧化锌基薄膜镀层，附加镀层为Cu-Ni合金镀层，不同镀层对应电阻率如下表所示。

对比例的杆坯与本具体实施方式相同，但是对比例的砧子电极采用现有技术中的普通砧子电子。依据电镦成形过程中杆坯的成形特点，对比例在杆坯成形至“蒜头”形状时，砧子电极与杆坯中心部分会出现下沉，参考图4所示，因此，可以确定出本具体实施方式中的环形抑制区。内环镀层和外环镀层区域不能过宽，否则会影响电镦件后续的继续加热变形，可根据抑制需求，并通过模拟实验确定。

在500s时，对比例与本具体实施方式的电镦模拟成形形状如图4和5所示。两种类型砧子的电镦模拟温度相差不大。采用普通砧子的电镦模拟温度为1099℃，但此时杆坯的中心已经有了下沉的趋势。采用刷涂涂料砧子的电镦模拟温度为1102℃，此时砧子电极和杆坯还是紧密贴合的。

在900s时，对比例与本具体实施方式的电镦模拟成形形状如图6和7所示。两种类型砧子的电镦模拟温度相差不大。采用普通砧子的电镦模拟温度为1129℃，但此时杆坯的中心已经有了下沉且下沉深度处于稳定阶段，H有7.8mm；采用刷涂涂料砧子的电镦模拟温度为1128℃，此时杆坯的下沉也趋于稳定，相较于普通砧子类型，下沉深度减小至4.1mm且下沉的区域减少。

在电镦终了时，未涂涂料砧子电极与刷涂涂料砧子电极电镦模拟成形形状如图8和9所示。采用普通砧子的电镦模拟温度为1138℃，但此时杆坯的中心下沉深度为7.9mm；采用刷涂涂料砧子的电镦模拟温度为1136℃，此时杆坯的下沉深度为4.2mm且下沉的区域减少。

图9中的凹陷停留在环形抑制区对应的区域，这是由于Ni80A耐热合金具有很强的热敏感性，但是电镦件中央是几乎没有凹陷的，在凹陷深度减低的同时，凹陷形状得到大大改善。

由以上模拟对比可知，本发明可以有效的降低大规格电镦件的下沉深度以及下沉范围。蒜头端面凹陷会导致内凹处电流密度增大，而使得温度过高，极易引起晶粒粗化；同时，由于蒜头端面凹陷部分与砧子电极无接触，从而蒜头中央难以接受砧子电极的压力，难以产生动态再结晶使蒜头中央晶粒细化，最终导致蒜头中央晶粒较***的晶粒要粗。但由于本发明改善了蒜头端面的凹陷，从而使得蒜头晶粒匀细化程度得到提高。

Claims (9)

1.一种电极电阻率梯度变化的大规格电镦方法，其特征在于，包括以下步骤：

在电镦作用下，杆坯逐渐径向增大至形成蒜头；

从蒜头径向增大到蒜头中央与砧子电极产生分离趋势时到蒜头端面凹陷达到稳定时，砧子电极与蒜头边缘接触的环带区域作为砧子电极上的环形抑制区；

增大所述环形抑制区上的电阻率以局部减小电流密度；

在蒜头径向增大的过程中，不断到达所述环形抑制区的坯料的电流密度降低使得温度降低，从而抑制蒜头对应于环形抑制区的环形部位的流动性，进而抑制蒜头对应于环形抑制区的环形部位带动蒜头中央进行轴向流动的趋势，最终使得蒜头中央的下沉趋势得到抑制。

2.根据权利要求1所述的电极电阻率梯度变化的大规格电镦方法，其特征在于，砧子电极的表层采用3D打印制成，采用电阻率较高的材料打印环形抑制区，采用电阻率较低的材料打印其余区域。

3.根据权利要求1所述的电极电阻率梯度变化的大规格电镦方法，其特征在于，通过在砧子电极上的所述环形抑制区上涂镀电阻材料来增大电阻率。

4.根据权利要求3所述的电极电阻率梯度变化的大规格电镦方法，其特征在于，采用如下方法确定出所述环形抑制区：

采用电阻率均匀的砧子电极对待镦杆坯进行电镦模拟，在蒜头径向增大到蒜头中央与砧子电极产生分离趋势时，将此时砧子电极与蒜头边缘接触的环带区域作为砧子电极上的环形抑制区的内环区域；在蒜头端面凹陷达到稳定时，将此时蒜头边缘与砧子电极接触的环带区域作为砧子电极上的环形抑制区的外环区域

按如下方式在所述环形抑制区上涂镀电阻材料：在所述环形抑制区的内环区域、外环区域分别涂镀两种不同的电阻材料形成内环镀层与外环镀层，并使得外环镀层的电阻率大于内环镀层的电阻率。

5.根据权利要求1所述的电极电阻率梯度变化的大规格电镦方法，其特征在于，采用模拟实验来预先确定所述环形抑制区；在电镦前对杆坯端面倒圆角。

6.一种砧子电极，其特征在于，在砧子电极的环形抑制区上涂镀能够增大电阻率的电阻材料；所述环形抑制区是根据电镦成形过程中杆坯的成形特性来预先模拟确定的：采用电阻率均匀的砧子电极对待镦杆坯进行电镦模拟，在蒜头径向增大到蒜头中央与砧子电极产生分离趋势时，将此时砧子电极与蒜头边缘接触的环带区域作为砧子电极上的环形抑制区的内环区域；在蒜头端面凹陷达到稳定时，将此时蒜头边缘与砧子电极接触的环带区域作为砧子电极上的环形抑制区的外环区域。

7.根据权利要求6所述的砧子电极，其特征在于，所述环形抑制区的内环区域、外环区域分别涂镀两种不同的电阻材料形成内环镀层与外环镀层，并且外环镀层的电阻率大于内环镀层的电阻率。

8.根据权利要求7所述的砧子电极，其特征在于，内环镀层为铟锡氧化物薄膜镀层，外环镀层为氧化锌基薄膜镀层。

9.根据权利要求7所述的砧子电极，其特征在于，在所述环形抑制区外涂度一层电阻率小于内环镀层材料的电阻材料形成附加镀层；内环镀层为铟锡氧化物薄膜镀层，外环镀层为氧化锌基薄膜镀层，附加镀层为Cu-Ni合金镀层。

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