等温锻造

第四章等温锻造与超塑性锻造§4－1等温锻造与超塑性锻造的特点及分类在常规锻造条件下，一些难成形的金属材料，如钛合金、镁合金及合金钢等，或者因为锻造温度范围窄，或者因为塑性较差，或者因为变形抗力较高，成形时困难较大。特别是形状复杂件，如薄壁、高肋零件，毛坯热量很快散发，变形温度急剧下降，变形抗力迅速增大，塑性急剧降低，不仅需要大吨位设备，也会造成锻件开裂。为解决这些问题，发展了等温锻造和超塑性锻造技术。1.等温锻造的基本特点（1）为防止毛坯温度散失，等温锻造时，模具和坯料要保持在相同的恒定温度下。这一温度，或等于热锻温度，或稍低于热锻温度。（2）材料在等温锻造时，具有一定的粘性，即对应变速率非常敏感，等温锻造变形速度很低。等温锻造一般在运动速度较低的液压机上进行，选择的活动横梁工作速度为0.2~2mm/s，坯料的应变速率低于0.01(1/s)。此时，坯料的变形抗力降低，塑性大大增加，呈现超塑性现象。（3）可提高设备使用能力。由于变形时的应变速率极低，材料会产生蠕变，需要的变形力相当低，可以使用小吨位设备锻造大工件。类别模具温度/℃加压速度/(mm/s)变形抗力/MPa常规锻造48076.2492.1等温锻造9540.42140.6（4）等温锻造与热模锻造的区别等温锻造与热模锻造的原理相似。热模锻造是等温锻造的前期工艺方法。它是将锻模加热到比变形坯料始锻温度低110～225℃的范围内。由于减小了坯料与模具之间的温差，坯料的冷却速度降低，特别是坯料表面温度不会过低，提高了坯料的塑性，降低了坯料的变形抗力。但热模锻造过程中，坯料温度不是恒定的，随变形的进行，温度逐渐降低。（5）为使等温锻造的模具易加热、保温和便于使用维护，等温锻造装置的基本结构如图所示。2.超塑性锻造的基本特点（1）超塑性指材料在低载荷作用下，其拉伸变形的延伸率超过100％的现象。凡具有能超过100％延伸率的材料，称为超塑性材料。目前，世界上超塑性材料的最高延伸率达到了5000％。材料在超塑性拉伸时，应力很低，无加工硬化，对变形速度极为敏感。流动应力与应变速率的关系为：m为应变速率敏感性指数，m值越大，延伸率也越大。普通金属m≈0.02~0.2；超塑性金属m≈0.3~1.0；m=1时，变为粘性流动。mkS超塑性一般分为：细晶超塑性：又称结构超塑性。材料必须具有必要的组织结构，即具有直径在5μm以下的稳定的超细晶粒，然后给以一定的恒温和变形速度条件。相变超塑性：又称动态超塑性。金属具有相变，或同素异构转变，在低载荷作用下，金属在相变点，附近反复加热、冷却，经过一定次数的温度循环后，获得很大延伸率。（2）超塑性锻造的基本特点材料具有等轴稳定的细晶组织；锻造温度在再结晶温度以上，即T≥（0.5~0.65)T熔；应变速率非常低，控制在0.01~0.0001(1/s)范围内。此时，材料具有很低的变形抗力、超高的延伸率。在低载荷下，可以加工出高精度的薄壁、高肋复杂锻件。3.等温锻造和超塑性锻造的分类下表列出了等温模锻和超塑性模锻的应用及特点：分类锻造形式应用特点等温锻造开式模锻形状复杂零件，薄壁件，难变形材料零件；余量小，弹性恢复小，可一次成形；等温锻造闭式模锻机加工复杂的、性能要求高的和无斜度的锻件；无飞边，无斜度、需顶出，模具成本高，锻件性能高、精度高、余量小；超塑性锻造开式模锻铝、镁、钛合金的叶片、翼板等薄腹板带筋件或形状复杂零件；充模好，变形力低，组织性能好，变形道次少，弹性恢复小；超塑性锻造闭式模锻难变形复杂零件，如钛合金涡轮盘。成形件精度高，较少机加工余量。4.等温锻造和超塑性锻造锻件的特点（1）余量小，精度高，复杂程度高。锻后机械加工量小，只局部加工，甚至不加工。（2）锻件纤维连续，力学性能好，各向异性不明显。毛坯一次变形量大，金属流动均匀，锻件可获得等轴细晶组织，使锻件的屈服强度、低周疲劳性能及抗应力腐蚀能力显著提高。（3）锻件无残余应力。由于应变速率小，金属软化充分，内部组织均匀，消除了残余变形，不存在变形不均匀引起的内外应力差。（4）材料利用率高。（5）提高了材料的塑性：金属中变形的位错，由于回复与再结晶而消除，使得金属具有良好的塑性§4－2等温锻造与超塑性锻造设备选择等温锻造与超塑性锻造均在低速下进行，一般采用液压机，且要求：可调速：工作行程的速度调节范围在0.1~1mm/s；可保压：工作滑块在额定压力下，可保压30min以上；封闭高度高、工作台面尺寸大：为安装模具、加热装置、冷却板、隔热板等工装，便于操作，需较大尺寸的封闭高度和工作台面，活动工作台更好；带顶出装置：制件常采用下顶出装置脱模，顶出装置应具有足够的顶出行程与顶出力。有控温系统：工作部分的加热温度控制是必需的。值得注意的是，等温锻造与超塑性锻造可以使变形力降低1～2个数量级，可选用吨位较小的液压机。变形力计算：常用经验公式，估算变形力：式中：P－－变形力（kN）；F－－锻件的总变形面积（mm2）；p－－单位变形力（MPa），是流动应力的2～4倍，闭式模锻、薄腹板模锻取上限；开式模锻取下限。1000/FpP§4－3等温模锻与超塑性模锻1.锻模及加热装置（1）加热装置由于在变形过程中需要保持恒温，等温模锻与超塑性模锻需设置加热装置。加热装置常用的是电感应加热和电阻加热。电阻加热装置：2.锻模结构与材料（1）等温模锻锻件设计分模面：尽量采用平面分模。开式模锻时，与常规开式模锻相同；闭式模锻时，常采用组合模具，应采用多向平面分模，或曲线分模；模锻斜度：开式模锻时，按标准选取，有顶出装置时取下限。闭式模锻时，外斜度取30′~3°，内斜度取30′~1°30′。圆角半径的确定，见教材p291；余量与公差的确定，见教材p292。（2）模具结构设计模膛结构：闭式锻造用模具，多采用镶块组合结构；开式多采用整体式结构；导向：闭式多用模口导向；开式多用导柱导向飞边槽：开式锻模带有飞边槽。其作用有：产生径向阻力，使金属充填型腔深处；容纳多余的金属，缓冲上下模的冲击。由于等温状态下，飞边不易冷却，故需要大大减小尺寸，特别是桥部厚度尺寸，以产生足够的桥部阻力，弥补等温条件带来的飞边阻力下降。模锻方法设备吨位a/mmb/mml/mmL/mm锤上模锻3t4.581545压力机模锻2500t481040液压机等温模锻300t0.54616模锻斜度：闭式无模锻斜度，或模锻斜度很小；开式模锻斜度，与普通模锻相同。顶出机构：闭式模锻须设置顶出机构；开式模锻根据需要取舍。收缩值：等温状态下，除了考虑坯料收缩，还要考虑模具膨胀。Δ为收缩量；t1、t2分别为室温和模锻温度；a1、a2分别为坯料与模具的线膨胀系数；L为模具尺寸。Laatt))((2112（3）模具材料常规锻造、热模具锻造、等温锻造及超塑性锻造时，模温与锻造时间的差异，见图。选取模具材料时，应保证模具零件在不同温度下，有可靠的使用性能。铝、镁合金：可采用热模具钢；钛合金及钢：采用高温合金。有时，为了提高模具寿命。适当降低模具温度，适当提高变形速度。3.等温闭式模锻与超塑性闭式模锻的工艺特点闭式模锻在等温锻造和超塑性锻造中较常见。常规锻造中，闭式模锻常用于轴对称锻件，而等温模锻和超塑性模锻可用于长轴类锻件与异形锻件。闭式模锻分为精模锻与粗模锻。精模锻一般不需后续机加工，或仅需少量机加工；但某些薄腹板件，由于成形需要和避免在顶出时发生翘曲，需增加机加工余量，采用粗模锻。闭式模锻无飞边，其高度方向尺寸取决于坯料大小，故下料重量公差较严。§4－4等温锻造与超塑性锻造的摩擦与润滑1.特点与常规锻造相比，具有下列特点：模具的高温：模具在高温时，增强了变形金属与模具接触面上的相互扩散作用，提高了摩擦系数，使变形金属易发生向模具表面转移，脱模难度加大；应变速率低：使接触面的咬合与润滑剂的挤出更容易，导致摩擦系数的增加；变形时间长：延长变形时间，为金属的氧化和接触面扩散提供了有利条件。2.对润滑剂的要求在整个锻造过程中，能在模具和毛坯间形成连续的润滑膜，并具有低的摩擦系数；对毛坯表面具有防护作用，防止氧化或吸收其它气体；兼有脱模剂作用；不应与毛坯和模具发生化学反应；易涂复和去除；无毒、非易燃、非稀缺。3.等温锻造与超塑性锻造的润滑剂按温度区间划分：280℃以下，用硅油或硅橡胶，成形表面光滑，润滑剂效果好，无残留物；280～430℃，用MoS2或MoS2钙基脂，可形成薄而均匀的润滑层；亚中温（600～720℃）、中温（700～900℃）、高温区（800～1000℃），采用软化点不同的玻璃润滑剂。§4－5工艺实例以钛合金涡轮盘的超塑性锻造为例。1.零件涡轮盘材料为TC4，直径101.6mm，带有72个轴向小叶片。零件净重125g。原工艺采用仿形铣床，材料利用率低，刀具消耗大，废品率高。采用超塑性锻造工艺成形。2.工艺条件TC4的超塑性锻造规范为：等轴细晶的α＋β双相组织，晶粒尺寸小于5μm；在α＋β相区锻造，锻造温度900～950℃；锻造速度较低，0.1~1mm/min；此时，TC4的单向拉伸伸长率为175～500％，流动应力为10～40MPa。3.设备与模具（1）设备成形设备为Y32－200型四柱液压机，台面尺寸大，封闭高度高，下液压缸顶出。（2）模具材料选用镍基铸造高温合金，其断裂强度均为相同条件下TC4超塑流动应力的三倍以上，满足强度要求。（3）模具结构采用闭式模锻，模口直接导向。（4）加热装置采用感应加热。上下模各用一个感应器加热，上下模温度一致，且开模时也可加热，降温少。4.模锻过程工艺流程为：坯料：TC4经大变形锻造后，制成φ101.6mm×7mm的坯料；喷涂润滑剂：坯料预热至300℃后，在专用旋转装置上喷涂；锻前加热：900℃，氩气保护。装模后均热，调整模温；锻造：速度0.1~1mm/min，压力500～1200kN，保压3～6min；顶出：顶出力50～200kN，顶出前对易变形部位冷却；后续处理：在石棉堆中缓冷。喷砂去除涂层。