某高溫合金三通件溫鍛工藝研究

樸順南，邊麗虹，閆進(jìn)軍

(沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司精密鍛造廠(chǎng)，沈陽(yáng)110043)

溫鍛成形工藝是在冷鍛工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種少無(wú)切屑塑性成形新工藝。它的變形溫度一般取在室溫以上，熱鍛溫度以下的溫度范圍內(nèi)。溫鍛成形在一定程度上兼?zhèn)淞死溴懪c熱鍛的優(yōu)點(diǎn)，如產(chǎn)品質(zhì)量高、節(jié)材和高效等;同時(shí)也減少了它們各自的缺點(diǎn):如冷鍛對(duì)設(shè)備、模具及材料的特殊要求，及熱鍛件的外部質(zhì)量較差等缺點(diǎn)。

三通接頭常用材料為GH3030，這兩種材料鍛造性能適宜，可以進(jìn)行溫鍛，選擇適合的溫鍛溫度及變形程度，可以保證生產(chǎn)比熱鍛件更精化的鍛件。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)材料(主料、輔料)

實(shí)驗(yàn)用原材料為GH3030，由東特?fù)徜摴旧a(chǎn)，采用真空感應(yīng)+真空自耗雙聯(lián)工藝冶煉，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)用棒材規(guī)格分別為:Ф48mm，Ф68mm，Ф70mm。坯料規(guī)格及數(shù)量如表2所示。

表1 GH3030合金化學(xué)成分

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

鍛造設(shè)備選用1T模鍛錘及20 MN熱模鍛壓力機(jī)。

1.3 合金成形工藝

1.3.1 熱鍛成形工藝及參數(shù)選擇

熱鍛設(shè)備為1T模鍛錘，始鍛溫度為1180℃，終鍛溫度為850℃，鍛造為一火完成。

1.3.2 溫鍛成形工藝及參數(shù)選擇

1.3.2.1 溫度的選擇

表2 坯料規(guī)格及數(shù)量

目前對(duì)溫鍛變形的溫度范圍還沒(méi)有一個(gè)嚴(yán)格的規(guī)定，加熱溫度低于熱鍛終鍛溫度的變形，即可稱(chēng)為溫鍛。產(chǎn)品對(duì)象、零件的變形程度、設(shè)備條件、對(duì)產(chǎn)品的性能和尺寸公差等級(jí)要求以及對(duì)產(chǎn)品的表面粗糙度要求不同，所選擇溫鍛溫度也會(huì)有所不同。

從鍛造溫度對(duì)鍛件強(qiáng)度及塑性的影響，以及熱鍛工藝時(shí)終鍛溫度850℃，綜合考慮，選擇此次實(shí)驗(yàn)溫度為700℃及800℃兩種。

1.3.2.2 模具材料的選擇

溫鍛模具結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上與熱鍛成形沒(méi)有較大區(qū)別，主要是考慮模具材料的選擇。選擇模具材料是要考慮到模具溫升以后，材料的屈服強(qiáng)度應(yīng)高于溫鍛時(shí)作用在模具工作部分上單位壓力，且應(yīng)具有足夠的耐磨性和韌性，同時(shí)具有熱膨脹率小、熱導(dǎo)率大、比熱大的特點(diǎn)。

因?yàn)槟壳斑€沒(méi)有完全適合溫鍛的模具材料，可以根據(jù)條件在冷鍛模具鋼和熱鍛模具鋼中選取。在200℃ ～400℃范圍內(nèi)進(jìn)行溫鍛時(shí)，可以采用與冷鍛相同的材料，但是，在400℃ ～500℃以上時(shí)，其力學(xué)性能急劇下降，故不能采用;熱鍛模具鋼強(qiáng)度不是很高，且容易因回火軟化而引起磨損和局部變形，鍛后零件表面粗糙，但其韌性較好，由于本次實(shí)驗(yàn)是在700℃、800℃進(jìn)行溫鍛，所以本次實(shí)驗(yàn)選用了比較常用的5CrNiMo熱鍛模具鋼。

1.3.2.3 溫鍛成形工藝

鍛造設(shè)備選取1T自由鍛錘及20 MN熱模鍛壓力機(jī)，加熱溫度分別選取700℃及800℃，模具預(yù)熱150℃ ～300℃，采用水基石墨潤(rùn)滑模具。

下料規(guī)格分別選取 Ф48×76、Ф70×34及Ф68×34，具體實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表3 溫鍛成形實(shí)驗(yàn)方案

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 鍛件成形結(jié)果

鍛件分別進(jìn)行熱鍛及表3中的四種方案進(jìn)行溫鍛，鍛件最終成形情況見(jiàn)圖1～3。

圖1 錘上鍛造鍛件及毛邊

圖2 壓力機(jī)上鍛造鍛件及毛邊

圖3 溫鍛鍛件吹砂后外形

由于GH3030在錘上800℃鍛造時(shí)，模具發(fā)生破裂，因此取消了在700℃下的溫鍛實(shí)驗(yàn)。

2.2 平臺(tái)厚度尺寸

對(duì)不同工藝下鍛件平臺(tái)厚度尺寸進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表4。

2.3 鍛件性能及組織檢測(cè)

2.3.1 室溫性能

不同條件下鍛件室溫性能見(jiàn)表5。

表4 GH3030鍛件不同工藝下平臺(tái)厚度

表5 室溫性能指標(biāo)

2.3.2 鍛件鍛后組織

鍛件在不同工藝下高倍組織如圖4～5所示。

圖4 錘上鍛造鍛件高倍組織 (100倍)

圖5 壓力機(jī)上鍛造鍛件高倍組織 (100倍)

3 討論與分析

3.1 熱鍛及溫鍛成形過(guò)程分析

由圖1～圖3，可以看出1180℃熱鍛與700℃、800℃溫鍛下鍛件均能充滿(mǎn)，其中圖3的標(biāo)刻2表面質(zhì)量最佳，即在700℃溫鍛時(shí)表面質(zhì)量最佳。采用溫鍛工藝的鍛件經(jīng)吹砂處理后，鍛件尺寸精度與表面粗糙度比熱鍛件均有提高，這是由于溫鍛時(shí)坯料加熱溫度相對(duì)較低，氧化情況較熱鍛輕，因此鍛后鍛件表面質(zhì)量有所提高。

錘上1180℃鍛造時(shí)，鍛件需二個(gè)火次才能順利完成;800℃溫鍛時(shí)，也需要二火次成形，但鍛后模具出現(xiàn)裂紋。模具開(kāi)裂是由于鍛件加熱溫度低時(shí)，鍛件變形抗力大，設(shè)備需要的打擊能量也較大，從而對(duì)模具的沖擊力較大，因此造成了模具的破壞?？紤]在較低溫度下模具強(qiáng)度還滿(mǎn)足不了溫鍛要求，因此取消了錘上原定700℃的溫鍛實(shí)驗(yàn)。

在壓力機(jī)上進(jìn)行溫鍛實(shí)驗(yàn)，鍛件分別于800℃、700℃溫度下在20 MN熱模鍛壓力機(jī)上鍛造，鍛件只需要一個(gè)火次即完成成形，沒(méi)有產(chǎn)生缺陷，這說(shuō)明壓力機(jī)比模鍛錘更適合該鍛件的溫鍛生產(chǎn)。

從表5中可以看出，GH3030在錘上1180℃熱鍛時(shí)，平臺(tái)厚度尺寸未超差，錘上800℃溫鍛時(shí)個(gè)別件尺寸超出上限差，而壓力機(jī)上800℃、700℃溫鍛時(shí)，所有尺寸均超上差。

根據(jù)鍛件的熱、冷尺寸之間的關(guān)系式:

式中，DT、D0分別為熱、冷狀態(tài)下模具尺寸;α為線(xiàn)膨脹系數(shù);T為鍛造溫度。

從上述關(guān)系式可以看出，熱膨脹系數(shù)與鍛造溫度及此溫度下的線(xiàn)膨脹系數(shù)有關(guān)。而線(xiàn)膨脹系數(shù)具有溫度越高，其值也越高的特點(diǎn)，因此使用按同樣熱膨脹系數(shù)設(shè)計(jì)的模具鍛造時(shí)，鍛造溫度越低，其所需冷尺寸越大。

3.2 熱鍛及溫鍛性能分析

從表5可見(jiàn)，GH3030在錘上800℃強(qiáng)度最高，而沖擊功則是壓力機(jī)800℃條件下最高?？傮w來(lái)看，壓力機(jī)溫鍛比錘上熱鍛及溫鍛的塑性變形更好，對(duì)應(yīng)沖擊功更高。700℃和800℃下進(jìn)行壓力機(jī)溫鍛時(shí)，鍛件各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)差異不大，只是800℃溫鍛時(shí)鍛件力學(xué)性能指標(biāo)值的波動(dòng)稍小一些。

從圖4～圖5的高倍照片上，可以看出鍛造溫度對(duì)GH3030鍛后組織影響不大。

4 結(jié)論

(1)GH3030合金的溫鍛成形工藝是可行的。

(2)GH3030不適合在模鍛錘上進(jìn)行800℃溫鍛。在壓力機(jī)上進(jìn)行溫鍛時(shí)，800℃溫鍛最佳，700℃溫鍛雖也可順利成型，但鍛后質(zhì)量較800℃差。

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