CN114196803B - 一种紧固件用gh2132合金不对称截面异型丝及其制备方法 - Google Patents

一种紧固件用gh2132合金不对称截面异型丝及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及高温合金加工领域，具体公开了一种紧固件用GH2132合金不对称截面异型丝及其制备方法。本申请中不对称截面异形丝的截面包括第一截面与第二截面；第一截面为矩形，第二截面为六边形。本申请的制备方法包括选材、光亮退火、轧扁、光亮退火、冷轧、光亮退火、冷拉、光亮退火等步骤。本申请中制备的不对称截面异形丝适用于对称截面异形丝以外的场合，且本申请中不对称截面异形丝的尺寸精度高、抗拉强度高且成品率高等优点。

Description

一种紧固件用GH2132合金不对称截面异型丝及其制备方法
技术领域
本申请涉及高温合金加工的技术领域，更具体地说，它涉及一种紧固件用GH2132合金不对称截面异型丝的制备方法。
背景技术
紧固件在市场上也称为标准件，是一种将二个或多个元件以机械方式固定或粘合在一起的机械元件。它的特点是品种规格繁多，性能用途各异，而且标准化、系列化、通用化的程度极高。
紧固件是应用最广泛的机械基础件，需求量很大。在航空航天中对紧固件的性能、形状、尺寸要求更高。目前，应用最多的是GH2132合金圆形丝材或六角、梯形、矩形等对称截面异形丝材，能够满足部分使用要求。但是，对于一些特殊部位使用、或者特殊形状的异形丝，如宽度小于5mm、厚度小于1mm且截面为不对称的异形丝，无法采用传统工艺进行生产。
发明内容
为了提供尺寸精度高、性能高且废品率低的不对称截面异型丝，本申请提供一种紧固件用GH2132合金不对称截面异型丝及其制备方法。
第一方面，本申请提供一种紧固件用GH2132合金不对称截面异型丝，采用如下的技术方案：
一种紧固件用GH2132合金不对称截面异型丝，所述不对称截面异形丝的截面包括第一截面与第二截面；第一截面为矩形，长边的长度为C、短边的宽度为T1，且C＞T1；第二截面为六边形，最长边的长度为B，顺时针依次为第二边、第三边、第四边、第五边与第六边；第二截面的第二边与第一截面的短边为共有边，第二截面的最长边与第一截面的长边共线，且第二边与第六边分别垂直于最长边，第四边与最长边平行，且第四边与最长边的距离为T2，T2>T1；第三边与第四边的夹角为135°，第五边与第四边的夹角为155°，第六边的长度为A，且T2＞A＞T1；另外，不对称截面异形丝总长度为L＝C+B。
通过采用上述技术方案，本申请提供了一种宽度小于5mm、厚度小于1mm的不对称截面异型丝，适用于规则异形丝以外的应用场合。但是，不对称截面异形丝形状相对复杂，利用传统生产制备方法无法实现，或者生产制备的不对称截面异型丝性能较差、尺寸精度低、合格率低，还存在断丝的问题。
第二方面，本申请提供一种紧固件用GH2132合金不对称截面异型丝的制备方法，采用如下的技术方案：
一种紧固件用GH2132合金不对称截面异型丝的制备方法，依次为选材、光亮退火、轧扁、光亮退火、冷轧、光亮退火、冷拉、光亮退火，选材步骤，采用材质为GH2132合金的圆丝作为原材料，圆丝截面积为不对称截面异型丝截面积的1～1.5倍；
轧扁步骤，对圆丝进行轧扁，即得扁丝，轧扁可分1～3道次，每道次压下变形量为30～60％；冷轧步骤：包括第一步冷轧与第二步冷轧；第一步冷轧利用平面轧辊与第一轧辊将扁丝制备成异形丝；第二步冷轧，利用平面轧辊与第二轧辊将异形丝制备成不对称截面异型丝半成品；冷拉步骤，利用冷拉模具将不对称截面异型丝半成品进行精整，即得不对称截面异型丝，精整后的尺寸减小0.01～0.05mm；
光亮退火在氢退炉中加热到950～1100℃保温10～60s而后空冷。
优选的，所述轧扁步骤中，每道次轧扁后得到的扁丝均需要光亮退火处理。
通过采用上述技术方案，GH2132高温合金是Fe～25Ni～15Cr基高温合金，加入钼、钛、铝、钒及微量硼综合强化。在650℃以下具有高的屈服强度和持久、蠕变强度，并且具有较好的加工塑性和满意的焊接性能，能够更好的应用于航空航天的紧固件中。
采用GH2132高温合金制备的圆丝作为制备不对称截面异型丝的原材料。首先将圆丝进行光亮退火，在氢退炉中加热到950～1100℃保温10～60s而后空冷，再经过1～3道次的轧扁，将圆丝制备成扁丝，每道次的轧扁后均需要经过光亮退火；然后进行两步的冷轧，第一步冷轧，利用第一轧辊与平面轧辊将扁丝制备成异形丝，将异形丝进行光亮退火；第二步冷轧，利用第二轧辊与平面轧辊将异型丝制备成不对称截面异型丝半成品，将不对称截面异型丝半成品进行光亮退火；最后进行冷拉操作，在拉力的作用下，将不对称截面异型丝半成品穿过冷拉模具进行精整，即得不对称截面异型丝。经过冷拉处理后，不对称截面异型丝更加精密。根据不同规格和精度要求，可以更换不同的冷拉模具，得到不同尺寸的不对称截面异型丝，满足不同场合的使用需求。
光亮退火是指在高温还原性气氛下进行退火，不对称截面异型丝不发生氧化，高温退火后表面仍保持光亮状态。在氢退炉中加热到950～1100℃保温10～60s而后空冷，能够提高不对称截面异型丝的性能，降低硬度，提高塑性，以利于后期切削加工及冷变形加工。每步骤操作前进行光亮退火，能够增加不对称截面异型丝的延展性能，降低或防止不对称截面异型丝开裂的可能性，从而保证利用圆丝制备不对称截面异型丝时的成品率。
优选的，所述轧扁步骤中，轧扁2道次，每道次轧扁的压下变形量优选为40～45％。
通过采用上述技术方案，轧扁的道次及变形量直接影响着生产效率及成品率，每增加一道次的轧扁且压下变形量较小时，势必会增加生产时间而降低生产效率。当进行1道次的轧扁，变形量较大时，会增大不对称截面异型丝开裂的可能性，从而降低不对称截面异型丝的成品率。优选2道次轧扁，每道次轧扁的压下变形量优选为40～45％。
优选的，所述轧扁步骤中扁丝的高度为T2+0.02～0.1mm。
通过采用上述技术方案，圆丝截面积为不对称截面异型丝截面积的1～1.5倍。根据不同使用要求或者不同的规格，选择不同尺寸的圆丝。当圆丝截面积小于不对称截面异型丝截面积的1倍时，在经过轧扁、冷轧后，不对称截面异型丝的形状不完整。当圆丝截面积大于不对称截面异型丝截面积的1.5倍时，在经过轧扁、冷轧后，会产生大量的飞边、毛刺等缺陷，从而导致不对称截面异形丝的精度较低；在清除飞边、毛刺时会浪费大量的人力与物力，增加生产的成本。同理，当扁丝的高度超过或者低于不对称截面异型丝尺寸最大距离T2+0.02～0.1mm时，同样会出现上述问题。因此，需要严格控制圆丝及扁丝的尺寸。
优选的，所述第一轧辊周面上开设有第一环槽，第一环槽底面为弧面，弧面距第一轧辊轴线的距离沿第一轧辊轴向先减小后增大，弧面上距第一环槽最大距离偏离第一轧辊的轴向的中部设置。
优选的，所述弧面距第一轧辊周面的最大距离为T2+0.01～0.08mm，最小距离为T1+0.03～0.1mm。
通过采用上述技术方案，在第一轧辊上开设有第一环槽，第一环槽底面为弧面，弧面的凸起朝向第一轧辊的中心轴线设置，凸起最高位置到第一轧辊的周面为最大距离，从最大距离向两侧距离逐渐变小，且最大距离偏离第一轧辊的轴向的中部设置。第一轧辊最大距离为T2+0.01～0.08mm，最小距离为T1+0.03～0.1mm。利用第一轧辊与平面轧辊将扁丝制备成异形丝，异形丝的形状、尺寸与环槽保持一致。
优选的，所述第二轧辊周面上开设有用于挤压成型不对称截面异形丝半成品的第二环槽。
优选的，所述第二步冷轧中第二轧辊最深处尺寸为不对称截面异型丝尺寸最大距离T2+0.01～0.06mm，最浅处尺寸为不对称截面异型丝尺寸最短距离T1+0.01～0.06mm，长度为不对称截面异型丝尺寸L+0.01～0.08mm。
通过采用上述技术方案，利用第二轧辊与平面轧辊对异形丝进行第二步冷轧，制备得到不对称截面异型丝半成品。在第二轧辊上开设有第二环槽，第二环槽的形状与不对称截面异型丝的形状保持一致。但是第二轧辊最深处尺寸为不对称截面异型丝尺寸最大距离T2+0.01～0.06mm，最浅处尺寸为不对称截面异型丝尺寸最短距离T1+0.01～0.06mm，长度为不对称截面异型丝尺寸L+0.01～0.08mm。
优选的，所述光亮退火的加热温度为950～1100℃，保温时间为45～60s。
通过采用上述技术方案，当加热温度低于950℃时，丝材内部的组织变化量较少，性能无法达到使用要求。温度过低还可能会导致后续轧扁、冷轧和冷拉的开裂性提高。当加热温度高于1100℃时，随着温度的升高，丝材内部的晶粒会逐渐长大，最终使不对称截面异型丝的性能下降，无法达到使用要求。保温时间也同样影响着不对称截面异型丝的性能，当保温时间低于10s时，丝材的冷加工硬化无法完全消除，材料硬度较高、塑性较差，变形抗力大。高于60s时，丝材的晶粒会发生过度粗化，同时也会影响光亮退火的生产效率，增加生产成本。最优的保温时间为45～60s。
在本领域中，轧机包括辊筒、机架、辊距调节装置、辊温调节装置、传动装置、润滑***、控制***和拆辊装置等组成。在本申请中，利用的是双辊筒轧机。首先，在轧机上安装两个平面轧辊，两个平面轧辊沿高度方向设置，两个平面轧辊的轴线相互平行。利用平面轧辊对光亮退火后的GH2132高温合金圆丝进行轧扁，将圆丝制备成扁丝，对扁丝进行光亮退火处理；然后，在轧机上将下平面轧辊更换为第一轧辊，对光亮退火后的扁丝进行第一步冷轧，将光亮退火的扁丝制备成异形丝，对异形丝进行光亮退火处理；再将第一轧辊更换为第二轧辊，对光亮退火后的异形丝进行第二步冷轧，将光亮退火的异形丝制备成不对称截面异形丝半成品，对不对称截面异形丝半成品进行光亮退火处理；最后，利用冷拉模具在冷拉机上将不对称截面异形丝半成品进行尺寸调整，即得不对称截面异型丝。根据产品要求，可选择轧扁、第一步轧制、第二步轧制及冷拉次数，使最终不对称截面异形丝具有尺寸精度高、性能好、不易断丝等优点。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、由于本申请采用带槽冷轧成型与冷拉复合成型的方法，制备了宽度小于5mm、厚度小于1mm的GH2132合金不对称截面异型丝，解决了冷轧成型困难、尺寸精度差，又解决了冷拉充型差、易断丝的问题；
2、本申请中的方法，既实现了不对称截面异型丝的成型，又实现了不对称截面异型丝尺寸的精度的控制，且可实现工业化的连续生产；
3、利用本申请制备方法，不对称截面异形丝的尺寸无缺陷，且尺寸精度高，抗拉强度能达到714MPa，晶粒度能达到7.5级。
附图说明
图1为本申请中不对称截面异型丝形状示意图；
图2为本申请中不对称截面异型丝的制备工艺流程图；
图3为本申请中圆丝轧扁制备扁丝的示意图；
图4为本申请中第一步冷轧制备异型丝的示意图；
图5为本申请中第二步冷轧制备不对称截面异形丝的示意图；
图6为本申请中冷拉模具剖面示意图；
图中，1、第一截面；2、第二截面；3、平面轧辊；4、圆丝；5、第一轧辊；51、第一环槽；6、扁丝；7、第二轧辊；71、第二环槽；8、异形丝；9、冷拉模具；10、不对称截面异形丝。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本申请作进一步详细说明。
参照图1与图2，在本申请中，利用双辊筒轧机进行生产制备不对称截面异型丝。包括以下步骤，选材、光亮退火、轧扁、光亮退火、第一步冷轧、光亮退火、第二步冷轧、光亮退火、冷拉、光亮退火，最终制备成不对称截面异型丝10。
不对称截面异型丝10为长条状，不对称截面异型丝10的截面包括第一截面1与第二截面2，第一截面1为矩形，长边的长度为C、短边的宽度为T1，且C＞T1；第二截面2为六边形，最长边的长度为B，顺时针依次为第二边、第三边、第四边、第五边与第六边；第二截面2的第二边与第一截面1的短边为共有边，第二截面2的最长边与第一截面1的长边共线，且第二边与第六边分别垂直于最长边，第四边与最长边平行，且第四边与最长边的距离为T2，T2>T1；第三边与第四边的夹角为135°，第五边与第四边的夹角为155°，第六边的长度为A，且T2＞A＞T1。
参照图3，在双辊筒轧机上安装两个平面轧辊3，两个平面轧辊3沿高度方向相对放置，且两个平面轧辊3的轴线相互平行。利用两个平面轧辊3对圆丝4进行轧扁，制备得到扁丝6，对异形丝8进行光亮退火，其中扁丝6的高度为T2+0.02～0.1mm。根据不对称截面异型丝的规格，可以进行1-3道次的轧扁，每道次的压下变形量为30～60％，每道次轧扁后均需要进行光亮退火。
参照图4，将位于下方的平面轧辊3更换为第一轧辊5，通过平面轧辊3与第一轧辊5对光亮退火后的扁丝6进行第一步冷轧，制备得到异形丝8，对异形丝8进行光亮退火。在第一轧辊5上开设有第一环槽51，第一环槽51底面为弧面，弧面的凸起朝向第一轧辊5的中心轴线设置，凸起最高位置到第一轧辊5的周面为最大距离，从最大距离处向两侧，凸起到第一轧辊5周面的距离逐渐变小，且最大距离偏离第一轧辊5的轴向的中部设置。凸起的最大距离为T2+0.01～0.08mm，凸起的最小距离为T1+0.03～0.1mm。根据不对称截面异型丝10的规格，可以进行多次第一步冷轧，每次第一步冷轧后均需要进行光亮退火。
参照图5，将第一轧辊5更换为第二轧辊7，通过平面轧辊3与第二轧辊7对光亮退火后的异形丝8进行第二步冷轧，制备得到不对称截面异型丝半成品，将不对称截面异型丝半成品进行光亮退火。第二轧辊7的最大距离为T2+0.01～0.06mm，第二轧辊7的最小距离为T1+0.01～0.06mm，长度为L+0.01～0.08mm。根据不对称截面异型丝10的规格，可以进行多次第二步冷轧，每次第二步冷轧后均需要进行光亮退火。
参照图6，利用冷拉模具9将不对称截面异型丝半成品进行精整，尺寸减小0.01～0.05mm，制备得到不对称截面异型丝10。
选择GH2132合金制备的圆丝4作为原材料，圆丝4的截面积为不对称截面异型丝10截面积的1～1.5倍，GH2132合金中成分及含量如表1所示：
表1 GH2132合金成分及含量表(单位：wt％)
以下实施例与对比例中利用的圆丝4为同一炉号，冷轧过程中，第一轧辊5的最大距离为T2+0.08mm，最小距离为T1+0.1mm。第二轧辊7的最大距离为T2+0.06mm，最小距离为T1+0.06mm，长度为L+0.06mm。最后经过冷拉，制备得到不对称截面异型丝10，满足不同的使用要求。表2为不同规格不对称截面异型丝10的尺寸，其他制备条件中的具体参数如下表3所示。
表2不对称截面异型丝的尺寸(单位：mm)
规格 A(0，-0.07) B L±0.03 T1±0.01 T2±0.02
-4 0.2 0.55/0.49 1.57 0.14 0.29
-5 0.25 0.66/0.56 2.06 0.19 0.36
-6 0.3 0.78/0.69 2.41 0.22 0.41
-8 0.33 1.02/0.92 3.21 0.31 0.58
表3实施例与对比例中条件参数
类别 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6 实施例7
圆丝直径 1倍 1.2倍 1.5倍 1.2倍 1.2倍 1.2倍 1.2倍
轧扁道次 1次 2次 3次 2次 2次 2次 2次
变形量 60％ 45％ 30％ 45％ 45％ 45％ 45％
退火温度 1000℃ 1000℃ 1000℃ 950℃ 1100℃ 1000℃ 1000℃
退火时间 45s 45s 45s 60s 10s 45s 45s
规格 -4 -4 -4 -4 -4 -5 -6
类别 实施例8 对比例1 对比例2 对比例3 对比例4 对比例5 对比例6
圆丝直径 1.2倍 1.2倍 1.2倍 1.2倍 1.2倍 0.9倍 1.6倍
轧扁道次 2次 2次 2次 2次 2次 2次 2次
变形量 45％ 70％ 20％ 45％ 20％ 45％ 70％
退火温度 1000℃ 1000℃ 1000℃ 920℃ 1120℃ 1000℃ 1000℃
退火时间 45s 45s 45s 70s 8s 45s 45s
规格 -8 -4 -4 -4 -4 -4 -4
性能检测试验
一、成分及含量检测
利用GB/T 222检测圆丝4中的化学成分及含量，具体检测结果如下表所示，
表4圆丝化学成分表(单位：wt％)
成分 C Si Mn P S Cr Ni Cu
含量 0.041 ＜0.1 ＜0.1 ＜0.005 0.0013 14.47 26.27 ＜0.005
成分 B Co Mo V Ti Al Fe
含量 0.0057 ＜0.1 1.28 0.25 2.3 0.24 余量
二、尺寸检测
利用金相观察方法对本申请中制备的不对称截面异形丝10的尺寸进行检测，具体尺寸如表5所示，
表5不对称截面异形丝的尺寸(单位：mm)
三、性能检测
利用GB/T 228拉伸测试及GB/T 6394标准检测不对称截面异形丝10的抗拉强度与晶粒度，具体检测结果如下表所示。
表6不对称截面异形丝的性能检测
类别 抗拉强度/MPa 晶粒度/级 成品率/％
实施例1 615 6.0 60
实施例2 622 6.0 90
实施例3 630 6.0 78
实施例4 714 7.5 85
实施例5 602 6.0 92
实施例6 631 6.0 90
实施例7 625 6.0 90
实施例8 619 6.0 90
对比例1 599 7.0 45
对比例2 441 5.0 90
对比例3 456 6.0 88
对比例4 418 5.0 85
对比例5 - - -
对比例6 - - -
*表6中，“-”代表未检测性能。
结合实施例1-5并结合表5与表6可以看出，在圆丝4的截面积是不对称截面异型丝10的1.2倍，经2道次轧扁，变形量45％，退火温度为950℃，保温时间为60s的工艺条件下，制备-4规格的不对称截面异型丝10；尺寸精度高，无缺陷，抗拉强度达到714MPa。
结合实施例2、6、7、8并结合表5与表6可以看出，在相同的工艺条件下，制备不同规格的不对称截面异型丝10。尺寸及性能均符合要求，成品率达到90％。
结合实施例2与对比例1-2并结合表5与表6可以看出，变形量小于30％或者大于60％时，不对称截面异型丝10的尺寸复合要求。但是，不对称截面异型丝10的性能或成品率较差。
结合实施例2与对比例3-4并结合表5与表6可以看出，退火温度为920℃，保温时间为70s，或退火温度为1120℃，保温时间为8s时，不对称截面异型丝10尺寸复合要求。但是，不对称截面异型丝10抗拉强度与晶粒度等级较低。
结合实施例2与对比例5-6并结合表5与表6可以看出，圆丝4的截面积小于不对称截面异型丝10的1倍，或者圆丝4的截面积大于不对称截面异型丝10的1.5倍时，尺寸存在缺陷。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种紧固件用GH2132合金不对称截面异型丝，其特征在于：所述不对称截面异形丝(8)的截面包括第一截面(1)与第二截面(2)；第一截面(1)为矩形，长边的长度为C、短边的宽度为T1，且C＞T1；第二截面(2)为六边形，最长边的长度为B，顺时针依次为第二边、第三边、第四边、第五边与第六边；第二截面(2)的第二边与第一截面(1)的短边为共有边，第二截面(2)的最长边与第一截面(1)的长边共线，且第二边与第六边分别垂直于最长边，第四边与最长边平行，且第四边与最长边的距离为T2，T2>T1；第三边与第四边的夹角为β，第五边与第四边的夹角为α，第六边的长度为A，且T2＞A＞T1；另外，不对称截面异形丝(8)总长度为L=C+B；
其中α为155°，β为135°。
2.一种如权利要求1所述的紧固件用GH2132合金不对称截面异型丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，依次为选材、光亮退火、轧扁、光亮退火、冷轧、光亮退火、冷拉、光亮退火，
选材步骤，采用材质为GH2132合金的圆丝(4)作为原材料，圆丝(4)截面积为不对称截面异型丝(8)截面积的1~1.5倍；
轧扁步骤，对圆丝(4)进行轧扁，即得扁丝(6)，轧扁为1~3道次，每道次压下变形量为30~60%；
冷轧步骤：包括第一步冷轧与第二步冷轧；第一步冷轧利用平面轧辊(3)与第一轧辊(5)将扁丝(6)制备成异形丝(8)；第二步冷轧，利用平面轧辊(3)与第二轧辊(7)将异形丝(8)制备成不对称截面异型丝半成品；
冷拉步骤，利用冷拉模具(9)对不对称截面异型丝半成品进行精整，即得不对称截面异型丝(10)，精整后的尺寸减小0.01~0.05mm；
光亮退火为在氢退炉中加热到950~1100℃保温10~60s而后空冷；
所述轧扁步骤中扁丝的高度为T2+0.02～0.1mm。
3.根据权利要求2所述的一种紧固件用GH2132合金不对称截面异型丝的制备方法，其特征在于：所述轧扁步骤，每道次轧扁后得到的扁丝(6)均需要光亮退火处理。
4.根据权利要求2所述的一种紧固件用GH2132合金不对称截面异型丝的制备方法，其特征在于：所述轧扁步骤，轧扁2道次，每道次轧扁的压下变形量为40~45%。
5.根据权利要求2所述的一种紧固件用GH2132合金不对称截面异型丝的制备方法，其特征在于：所述第一轧辊(5)周面上开设有第一环槽(51)，第一环槽(51)底面为弧面，弧面距第一轧辊(5)轴线的距离沿第一轧辊(5)轴向先减小后增大，弧面上距第一环槽(51)最大距离偏离第一轧辊(5)的轴向的中部设置。
6.根据权利要求5所述的一种紧固件用GH2132合金不对称截面异型丝的制备方法，其特征在于：所述弧面距第一轧辊(5)周面的最大距离为T2+0.01~0.08mm，最小距离为T1+0.03~0.1mm。
7.根据权利要求2所述的一种紧固件用GH2132合金不对称截面异型丝的制备方法，其特征在于：所述第二轧辊(7)周面上开设有用于挤压成型不对称截面异形丝半成品的第二环槽(71)。
8.根据权利要求7所述的一种紧固件用GH2132合金不对称截面异型丝的制备方法，其特征在于：所述第二环槽(71)距第二轧辊(7)周面最大距离为T2+0.01~0.06mm，最小距离为T1+0.01~0.06mm，长度为L+0.01~0.08mm。
9.根据权利要求2所述的一种紧固件用GH2132合金不对称截面异型丝的制备方法，其特征在于：所述光亮退火的加热温度为950~1000℃，保温时间为45~60s。
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