等溫鍛造成形技術(shù)的研究與應(yīng)用

文/付傳鋒·南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司

胡亞民·重慶理工大學(xué)材料學(xué)院

劉艷雄·武漢理工大學(xué)汽車學(xué)院

等溫鍛造成形技術(shù)的研究與應(yīng)用

文/付傳鋒·南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司

胡亞民·重慶理工大學(xué)材料學(xué)院

劉艷雄·武漢理工大學(xué)汽車學(xué)院

付傳鋒，工程師，主要從事中大型模鍛件成形過程研究及其產(chǎn)品開發(fā)。

等溫鍛造技術(shù)特點(diǎn)

等溫鍛造是指在鍛造時把模具加熱到與坯料變形溫度相同或相近的溫度，在較低的應(yīng)變速率下，使熱坯料與模具溫度基本保持不變的一種鍛造方法。等溫鍛造可以在很寬的溫度、速度范圍內(nèi)及坯料的任一原始組織狀態(tài)下進(jìn)行。等溫鍛造時坯料的始鍛溫度要低于終鍛溫度，因?yàn)樵阱懺爝^程中由于變形的熱效應(yīng)，其溫度還會升高。

近等溫鍛造技術(shù)可以適當(dāng)降低模具溫度，嚴(yán)格控制模具與坯料之間的溫度梯度，促進(jìn)晶界間隙相在整個成形過程中充分、合理析出，控制鍛件晶粒大小，既能保證坯料很好地充填模膛，又可以提高鍛件性能，降低生產(chǎn)成本。綜上所述，等溫鍛造與普通鍛造相比，具有如下優(yōu)勢：

⑴等溫鍛造所需的變形抗力較小，可使用功率較小的設(shè)備成形較大輪廓尺寸和形狀復(fù)雜的高精度鍛件。

⑵等溫鍛造的軟化過程比較充分、變形速率較低，能使鍛件內(nèi)部的微小裂紋愈合。

⑶等溫鍛造能夠模鍛出有小模鍛斜度或無模鍛斜度的鍛件、有明顯階梯截面的鍛件、過渡半徑較小的鍛件和小切削加工余量的鍛件。

⑷等溫鍛造減小了坯料變形溫度的波動，使鍛件體內(nèi)及表層溫度均勻，使鍛件內(nèi)部組織性能良好。

⑸等溫鍛造降低了鍛件的殘余應(yīng)力，減少了鍛件在冷卻和熱處理時的變形量。

⑹等溫鍛造使用潤滑玻璃涂層，降低了坯料變形溫度，減小了熱金屬與周圍介質(zhì)的相互作用，使氧化皮和其他缺陷層的厚度變薄，提升了鍛件表面質(zhì)量。

鈦合金鍛件的等溫鍛造

鈦合金的比強(qiáng)度高、耐熱和耐腐蝕性能良好，但鈦合金比較昂貴，機(jī)加工也比較困難。采用普通鍛造過程，鍛件組織不均勻，變形抗力大，而且鈦合金的鍛造溫度范圍窄，變形抗力受變形速率、變形溫度的影響比較大。等溫鍛造鈦合金具有材料利用率高、鍛件組織均勻、鍛造所需設(shè)備噸位小等優(yōu)點(diǎn)。

20世紀(jì)80年代末，西北工業(yè)大學(xué)、北京航空材料研究院、安大鍛造廠、黎陽航空發(fā)動機(jī)公司共同進(jìn)行雙性能壓氣機(jī)盤的研究，探索出用形變熱處理制坯與普通模鍛（或等溫模鍛）相結(jié)合的方法成功鍛出某發(fā)動機(jī)TC11鈦合金雙性能壓氣機(jī)盤。

航空發(fā)動機(jī)用的TC4合金噴嘴殼體，采用常規(guī)模鍛需要經(jīng)集聚、彎頭、成形、切邊等工步。上海鋼鐵研究所采用等溫超塑性模鍛，在YA71-500型500t塑料制品液壓機(jī)上閉式模鍛一次成形，坯料尺寸為23mm×60mm×80mm。該所還成功等溫精鍛成功Ti-1023合金飛機(jī)腹鰭接頭，鍛件質(zhì)量只有8kg，單邊加工余量為2.5mm，最小脫模角在0°～3°之間，大大提高了材料利用率。

為了測試TC4等溫鍛件的性質(zhì)，1/3縮比原鍛件做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中TC4鈦合金坯料由機(jī)械加工制取，坯料涂覆FR6型玻璃潤滑劑，在箱式電阻爐中加熱至950℃。模具用工頻感應(yīng)加熱裝置加熱到950℃，保溫20min后涂覆FR6型玻璃潤滑劑，模具材料為K3高溫合金。在THP10-630型鍛造液壓機(jī)（工作行程速度為0.1mm/s）上等溫鍛造出TC4鈦合金接頭件樣件，該模鍛件充填飽滿，經(jīng)超聲波探傷未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

TA15鈦合金支臂屬于高筋薄腹板件（腹板厚為2.5mm），筋部比較窄，在4.5～5.5mm之間，筋部及腹部不進(jìn)行機(jī)加工，鍛件在出模及熱處理時容易產(chǎn)生變形，成形難度大。TA15鈦合金塑性差，其相變點(diǎn)為990℃，鍛造過程中，模膛表面局部實(shí)際承受的工作壓力往往比鍛件材料的流動應(yīng)力大。為了實(shí)現(xiàn)近等溫鍛造，模具材料采用K403鎳基鑄造高溫合金，該材料在700～1000℃下具有良好的高溫強(qiáng)度、高溫耐磨性及抗氧化能力。

Ti-1023合金(即Ti-10V-ZFe-3Al合金）是近β鈦合金的一個典型代表，它具有優(yōu)良的加工性能和淬透性。西北工業(yè)大學(xué)與陜西宏遠(yuǎn)航空鍛造有限公司共同鍛造出了最小腹板處厚度為2.5mm，最小圓角半徑為1.5mm，無外拔模斜度，內(nèi)拔模斜度為1.5°，尺寸公差在±0.3mm之間，不加工面超過整體表面70%，表面粗糙度Ra在0.4～3.2μm之間，少量配合面的加工余量在1～3mm之間的鍛件。等溫鍛造和自由鍛造相比，其機(jī)加工量減少了90%，機(jī)加工周期從45天縮短為5天。

鈦合金鍛件等溫鍛造前采用的工藝過程為：下料→加熱→自由鍛制坯→退火→鍛坯粗加工→加熱→預(yù)鍛→退火→銑飛邊→涂玻璃潤滑劑→加熱→近等溫鍛造加工。

近等溫鍛造的具體工藝過程為：

⑴坯料。涂潤滑劑→干燥→加熱→保溫。

⑵模具。涂潤滑劑→加熱→保溫。

⑶加熱坯料→裝入保溫模具→鍛造→脫?！懠鋮s→清理→檢驗(yàn)。

高溫合金鍛件的等溫鍛造

高溫合金與其他黑色金屬及合金相比，鍛造生產(chǎn)過程中突出的問題是塑性變形困難，主要表現(xiàn)在以下6點(diǎn)：

⑴塑性低，必須嚴(yán)格控制變形溫度和每火次的變形量。

⑵變形抗力高，應(yīng)加強(qiáng)坯料和模具的潤滑。

⑶對應(yīng)變速率敏感，鍛壓設(shè)備盡量選擇液壓機(jī)、機(jī)械壓力機(jī)和螺旋壓力機(jī)。

⑷鍛造溫度范圍窄，需要增加鍛造火次。

⑸熱導(dǎo)率低，加熱速度較慢。

⑹再結(jié)晶溫度高、結(jié)晶速度慢。

IN718合金在6300kN液壓機(jī)上進(jìn)行近等溫鍛造，模具溫度為920℃。近等溫鍛造后固溶+雙時效熱處理規(guī)范為：小于700℃入爐，溫升至850℃保溫1h，再升至950℃保溫1h，空冷；720℃保溫8h，然后以50℃/h降至620℃保溫8h，空冷。IN718合金平均晶粒直徑隨成形溫度增加而增大，間隙相由短棒狀轉(zhuǎn)向針狀，分散程度明顯降低。IN718合金在3種不同溫度下變形的力學(xué)性能見表1，其在980℃變形后的塑性性能最好，但屈服強(qiáng)度低于其他兩種溫度。由1060℃近等溫變形后的顯微組織可知，間隙相完全以針狀形態(tài)存在于晶界處，容易導(dǎo)致塑性性能偏低。

表1 IN718合金經(jīng)不同溫度近等溫變形的力學(xué)性能

GH4720Li合金的主要強(qiáng)化相γ′數(shù)量高達(dá)40%左右，具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和較高的使用溫度，主要用于制造航空發(fā)動機(jī)750℃以下使用的高性能渦輪盤鍛件，也可應(yīng)用到新一代戰(zhàn)略導(dǎo)彈和大推力火箭發(fā)動機(jī)動力裝置中。GH4720Li合金坯料經(jīng)高溫均勻化處理后，采用復(fù)合軟包套在20MN快鍛機(jī)上進(jìn)行保溫鍛造開坯，鍛成表面品質(zhì)良好的φ130mm的棒材。

由變形溫度和變形量對GH4720Li合金組織的影響可知，該合金組織對溫度和變形量非常敏感，即1100℃變形時再結(jié)晶不充分，變形抗力較大；1150℃變形時再結(jié)晶不再受γ′的釘扎，從而長大，除溫度之外，變形量對再結(jié)晶的影響也比較明顯，變形量越大，再結(jié)晶越充分。相比而言，1130℃是較合適的變形溫度，該溫度下變形量達(dá)到70%時，可得到均勻的等軸細(xì)晶組織。

實(shí)驗(yàn)中坯料尺寸為φ100mm×250mm，鍛造溫度為1130℃，鍛造加載速度為9mm/s，鍛造設(shè)備為5MN液壓機(jī)。等溫鍛造通過上下模具外安裝感應(yīng)加熱襯套實(shí)現(xiàn)加熱。等溫鍛造出的整個盤件晶粒細(xì)小均勻，晶粒度達(dá)到要求的ASTM8級或者更細(xì)，表面品質(zhì)良好。

鎂合金鍛件的等溫鍛造

鎂合金等溫鍛造的溫度范圍比較窄，但是其導(dǎo)熱系數(shù)卻大約是鋼的兩倍。鍛造時如果模具溫度低，鎂合金坯料降溫快，塑性降低，變形抗力增大，變形率低，變形過程中坯料易形成裂紋甚至開裂，所以鎂合金一般采用等溫鍛造。等溫鍛造時，一般把加熱到略高于鍛造溫度的鎂合金坯料置入加熱到鍛造溫度的模腔里，并使熱毛坯和模具溫度基本保持不變；或?qū)⒛＞呒訜岬缴愿哂阱懺鞙囟龋侔咽覝叵碌逆V合金坯料置入模腔，加熱到鍛造溫度，并保溫一定時間，施加適當(dāng)壓力，保壓一定時間，使毛坯以低應(yīng)變速率變形。

在YAW-500kN微機(jī)控制電液伺服壓力機(jī)上，利用等溫復(fù)合擠壓成形過程（擠壓溫度為350℃，加載速度為0.1mm/s，潤滑劑為SW/TM），成功試制出符合設(shè)計(jì)要求的AZ31B鎂合金電動螺絲刀套筒擠壓件，如圖1所示。為了簡化實(shí)驗(yàn)設(shè)備和降低成本，設(shè)計(jì)了如圖2所示的鎂合金等溫鍛造裝置，將鎂合金坯料放在模具里直接加熱，模膛就是爐膛。

圖1 鎂合金電動螺絲刀套筒擠壓件

圖2 鎂合金等溫鍛造模具簡圖

隨著現(xiàn)代汽車對節(jié)能減排要求的不斷推進(jìn)及車輛輕量化的發(fā)展要求，用鎂合金輪轂取代鋁合金輪轂已成為一種發(fā)展趨勢。某型號汽車輪轂鍛件示意圖如圖3所示，輪輻表面有凹槽及通孔，輪輞形狀類似于變截面雙杯形，壁厚較薄且孔深較大。該輪轂成形過程分為擠壓和脹形兩部分，由于變形程度很大，需要通過正擠壓和復(fù)合擠壓工序?qū)崿F(xiàn)成形。成形過程路線為：下料→正擠壓→復(fù)合擠壓→脹形→機(jī)加工連皮及余料→熱處理及表面處理，工序簡圖如圖4所示。

通過等溫?cái)D壓與脹形生產(chǎn)鎂合金輪轂的實(shí)驗(yàn)，確定了擠壓—脹形成形過程的參數(shù)：坯料加熱及模具預(yù)熱溫度均在350～400℃之間，擠壓加載速度為0.2mm/s，脹形坯料及模具溫度均在200～250℃之間。采用此擠壓技術(shù)參數(shù)成形出表面品質(zhì)良好的鎂合金輪轂。鑄態(tài)試樣的抗拉強(qiáng)度Rm、屈服強(qiáng)度Rp0.2及伸長率A分別為229.7MPa、101.5MPa和9.1%；成形樣件輪輞部位相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度Rm、屈服強(qiáng)度Rp0.2及伸長率A分別為338.4MPa、190MPa和14.1%，相對于鑄態(tài)試樣，其性能有較大提高。

圖3 輪轂鍛件示意圖

圖4 工序簡圖

鋁合金鍛件的等溫鍛造

國內(nèi)鋁合金等溫鍛造較多地應(yīng)用在小型復(fù)雜鍛件的成形上，也有少數(shù)應(yīng)用于大、中型鍛件，如飛機(jī)整體框架、起落架外筒等。LC4鋁合金接頭等溫鍛精鍛件在3150kN液壓機(jī)上等溫鍛造成形。該設(shè)備活動橫梁速度在0.5～2.0mm/s之間，模具材料為5CrMnMo。采用水基石墨潤滑，精確制備坯料，三火次成形。

鍛件輪廓尺寸為191mm×123mm×83mm，質(zhì)量為0.93kg。鍛件四周無拔模斜度，內(nèi)拔模斜度為1.5°；最小圓角半徑為2mm，典型筋寬為5mm，筋的最大高寬比為12∶1。鍛件底面為雙曲面形狀，沿長度方向形狀差異很大，尤其大頭兩側(cè)的凸耳成形更為困難。鍛件成形后，僅需在內(nèi)腔頂部鉆孔，小頭桿部中心銑削一通槽，其余大部分為不加工面。

采用等溫鍛造后，機(jī)加工周期由5天減為1天；生產(chǎn)成本由1780元減為711元，高低倍組織檢驗(yàn)的技術(shù)要求Rm≥510MPa、Rp0.2≥430MPa、A≥6%，檢測結(jié)果表明，鍛件晶粒細(xì)小均勻，金屬流線合理，力學(xué)性能優(yōu)異，具體結(jié)果見表2。

機(jī)匣體是一種幾何尺寸復(fù)雜的長軸類鍛件，坯料材料為7A04鋁合金。機(jī)匣體沿長度方向?yàn)樯疃炔煌牟坌谓孛?，用棒狀坯料模鍛成形時，金屬沿長度方向的變形很小，主要是各橫截面發(fā)生變形，機(jī)匣體兩端的槽形截面為反擠壓成形，而下面有凸起的部位是具有正擠和反擠的復(fù)合擠壓成形。

機(jī)匣體鍛件采用的生產(chǎn)流程為：下料→車外圓和兩端面→一次加熱（坯料加熱至（420±10）℃，保溫1.5h；模具加熱到（380±10）℃，保溫4h）→鐓頭制坯（鐓頭模的溫度加熱到（380±10）℃，保溫4h）→修邊→二次加熱（坯料加熱至（420±10）℃，保溫1.5h；模具預(yù)熱到（400±10）℃，保溫4h）→預(yù)成形→修邊→三次加熱（坯料加熱至（420±10）℃，保溫1.5h；模具預(yù)熱到（400±10）℃，保溫4h）→終成形（8000kN液壓機(jī)）→切邊→表面清理→整形→檢驗(yàn)。機(jī)匣體鍛件工序簡圖如圖5所示。

表2 等溫精鍛件的拉伸力學(xué)性能

結(jié)束語

隨著航空航天事業(yè)及其技術(shù)要求的不斷發(fā)展，為了降低整機(jī)質(zhì)量，提高關(guān)鍵零件可靠性，簡化裝配制造過程和工序，對鍛件高溫力學(xué)和物理性能、抗腐蝕性能、輕量化、材料利用率、能源節(jié)約等要求也大幅提高。鈦合金、高溫合金等難變形材料及鎂合金的用量越來越多，等溫鍛造成形技術(shù)雖然在我國得到了很好的應(yīng)用，但其應(yīng)用過程中也面臨如下需要進(jìn)一步研究和解決的問題。

圖5 機(jī)匣體鍛件工序簡圖

⑴開展低成本等溫鍛造模具材料方面的研究，使其鍛造溫度在1100℃以上時也具有良好的高溫強(qiáng)度和塑性，優(yōu)良的抗氧化性能和抗熱疲勞性能。

⑵研究真空或保護(hù)氣氛下的等溫鍛造，以適應(yīng)高溫合金、特種新材料在更高溫度下的等溫成形。

⑶開發(fā)和推廣近等溫鍛造技術(shù)，即坯料和模具溫度一致，加載速度和普通模鍛一樣，但變形抗力比普通模鍛低60%～70%，提高了生產(chǎn)效率。

⑷開發(fā)大型整體結(jié)構(gòu)件的等溫鍛造，滿足其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、強(qiáng)度高、韌性高的要求。

⑸研制新型潤滑防護(hù)材料，使玻璃潤滑劑高溫時釉化效果好，具有耐燒、抗氧化性強(qiáng)、工作時間長等特點(diǎn)。