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特种合金的锻造特点及其对策
日期:2024-04-27 00:43:02 作者: 新闻中心

  由于“特种合金”与普通碳素钢和低合金结构钢相比具有许多不同的特殊物理和化学性质、组织性能以及加工制造方法的特点,绝大多数特种合金都是合金化程度高,成分复杂,锻造工艺性差,锻造温度范围窄,因此,每种特种合金锻件的生产技术都有其固有的特点或难点。

  多数特种合金的共同特点是:合金化程度高,铸锭和锻材宏观偏析严重,塑性低,设备一次行程允许的变形程度只有普通钢的50%或更低,锻造过程中容易开裂,变形温度、变形程度和变形速度需要严控,以及尽可能的避免在拉应力状态下变形。

  特种合金的变形抗力往往为普通钢的3倍以上,且流动性差,难于充满模膛,与一般合金结构钢同样几何尺寸的锻件相比,要选择能量或载荷更大的设备做锻造。

  由于特种合金的初熔温度低,且再结晶温度高,因此锻造度范围窄(为碳钢的1/3~1/2),所以要增加锻造火次和将工夹模具预热至更高的温度,并要求熟练的高级工人进行锻造。

  特种合金对应变速率敏感,允许应变速率比普通钢低1个~2个数量级,所以要选择工作速度平稳和速度较低的造设备(如液压机)进行造,使设备的选择余地减小。

  有些特种合金对应力状态敏感。为防止锻裂需要在挤压和封闭模锻等的压应力状态下进行锻造。

  特种合金的合金化程度高,因而在加热过程中表面容易造成合金元素贫化,从而和炉气化合形成脆性化合物,降低锻件表面的塑性和性能;有些合金还容易吸收有害气体造成表面污染层因而需要采用保护气氛加热炉进行加热,或者在毛坯表面涂覆防护润滑剂。

  许多特种合金为单相组织,亦即从锻造温度到室温不发生相变,所以不能采用热处理方法调整锻件晶粒度,只能依靠锻造工艺保证。当锻件出现粗晶或混合晶粒组织时,往往只能降级使用或报废。

  特种合金的锻造温度范围窄,对加热和锻造温度敏感,所以需要在能够精确控制温度的加热炉内进行加热。在锻造过程中应避免剧烈变形,以免温升过高而影响锻件组织和性能。同时还需要严格控制终锻温度,并尽量减少模具对锻件的激冷作用。

  特种合金的再结晶温度比较高,因此在锻造过程中容易产生再结晶晶粒与加工硬化晶粒混合的、再结晶不充分的、晶粒不均匀组织,因此需要提高终锻温度。

  由于特种合金的再结晶速度慢,同样容易造成再结晶晶粒与加工硬化晶粒混合的不均匀晶粒组织,需要降低锻造速度。

  为使锻件获得均匀的晶粒组织,特种合金锻造时,需要避开较宽的临界变形区域,以免形成局部的粗大和不均匀的晶粒组织。

  特种合金的冷作硬化倾向十分明显,所以除了需要提高终锻温度外,还要选择工作平稳速度较低和能量(或载荷)更大的锻造设备进行锻造。

  有一些特种合金的热导率较低,所以需要放慢加热速度和延长保温时间。模锻时毛坯表面和模具表面接触,十分容易产生激冷现象。

  在常用的特种合金锻造中,高温合金的锻造问题最多,难度也最大,是难变形合金的典型代表。它们的工艺塑性低、变形抗力大和变形温度范围窄。虽然,其它特种合金可能也会有同样的问题,但高温合金的问题最严重,例如,高温合金对锻造的应力状态及工艺方法要求最严格,对设备的加载速度也要求较高;所有高温合金都不能通过热处理细化晶粒组织,因而晶粒尺寸完全靠控制锻造工艺参数保证。此外,高温合金的热导率低,毛坯需要缓慢加热。

  钛合金的主要锻造特点是它的化学性质活泼,极易吸氢和吸氧,从而形成表面脆化层、降低塑性;另外,在锻造过程中金属流动产生的新鲜金属表面会牢牢地粘附在模具表面上,导致锻件和模具同时报废。因此模锻的毛坯必须涂覆玻璃防护润滑剂将锻件和模具隔开;毛坯涂覆玻璃防护润滑剂后,毛坯与模具的摩擦系数大幅度下降,使锻造压力降低,缓解了合金变形抗力高的不利因素;此外,毛坯涂覆玻璃防护润滑剂后还减少毛坯的温降和防止或减少锻件表面形成脆化层。钛合金应采用中性或微氧化气氛加热,主要是为了减少加热过程中吸收有害化学气体和在锻件表面形成脆化层,降低锻件性能;此外,合金的热导率低,毛坯需要缓慢加热。

  不锈钢的主要锻造特点是变形抗力高,以及双相不锈钢的变形温度范围较窄,而单相不锈钢不能用热处理方法调整锻件组织和性能。其锻造的难度虽然低于高温合金等其他特种合金,但却远远大于普通结构钢。

  铝合金的主要锻造特点在于变形温度范围窄,一般为 100℃~150℃。为扩大锻造温度区间,通常要求尽可能将毛坯加热到上限温度。为防止过热,并保证加热均匀,要求在具有强制空气循环的电炉内加热,以加热热量的传递,使炉温均匀,确保模锻毛坯加热温度能控制在±5℃范围内。另外,铝合金对应变速率敏感,铸锭应在压应力状态下、工作速度低的液压机挤压或轧制开坯,大型铝合金模锻件通常选用液压机模锻,中小合金件可以在机械压力机和螺旋压力机上锻造,但不推荐采用锤上模锻。

  镁合金的主要锻造特点在于变形温度范围窄,一般为 70℃~150℃,为扩大锻造温度区间,通常要求尽可能将毛坯加热到上限温度。为防止过热并保证加热均匀,要求在具有强制空气循环的电炉内加热,以加速热量的传递,使炉内温度分布均,使模锻毛坯加热温度能控制在±5℃范围内。另外,镁合金在低速度下具有较高的热塑性,避免产生裂纹最好采用液压机锻造,也可以在机械压力机和螺旋压力机上锻造,但不推荐采用锤上模锻。

  尽管多数铜合金的塑性高、流动性好,可以采用各种设备和锻造工艺方法。铜合金更适于挤压成形;大型铜合金在开坯前进行均匀化退火(消除内应力)以改善塑性。铜合金适应于在中性或微氧化气氛中加热,在微还原性气氛中加热可能导致“氢病”。另外铜合金终锻温度要高于脆性温度区,应在 650℃以上停锻。

  由于上述特种合金的锻造特点,特种合金锻造比普通碳素钢和低合金结构钢困难得多,要生产出几何尺寸和冶金质量都符合要求的特种合金锻件,必须根据不同的特点采取相应有针对性的技术措施。这些措施主要包括工艺措施、锻件和模具设计措施、质量控制措施、锻造性能的测试以及对锻造过程进行模拟等。

  对于热导率低的特种合金(尤其是大尺寸的坯料)应随炉低速升温或在 800℃~850℃先入炉预热并保温一段时间,而不能在始锻温度入炉直接加热,然后升温至始锻温度或转入始锻温度的高温炉中加热;在始锻温度的保温时间视合金而定,一般要比合金结构钢长数倍。

  另一些热导率比钢高的铝、镁和铜及其合金的毛坯则可直接入高温炉加热,速度可以加快且保温时间可适当缩短。

  针对特种合金合金化程度高、铸锭和锻材宏观偏析严重、塑性低和临界变形范围宽的特点,在锻造过程中要严控每一火次,甚至设备每一行程的变形度;变形度过大可能锻裂,变形程度过小可能落入临界变形区,导致局部晶粒长大,组织不均匀。

  针对特种合金再结晶温度高和冷作硬化倾向明显的特点,需要提高或大幅度提高终锻温度。某些合金的终锻温度甚至高达1080℃,比普通碳素钢和低合金结构钢的温度约高 300℃。

  对于某些对应变速率敏感和再结晶速度慢的特种合金,应尽量选择加载速度较低的液压机、机械压力机和螺旋压力机进行锻造;而对于网状碳化物严重的高速钢,为彻底破碎网状碳化物则应选择工作速度高、冲击力强的锻锤进行锻造。

  对于某些变形抗力高再结晶速度慢和终锻温度高的特种合金,与同样尺寸的碳素钢和低合金结构钢锻件相比,需要选择能量或载荷大3倍~5倍或更大的锻造设备。

  针对特种合金加热过程中表面容易形成合金元素贫化层和脆化层或吸收有害气体的特点,在可能条件下,应在保护气氛中加热,或采用防护涂层对毛坯进行防护,如给毛坯涂覆玻璃防护润滑剂。

  针对特种合金变形抗力高、需要设备能量(载)大和锻造温度范围窄等特点,除按照常规对模具润滑外,还应对毛坯进行防护润滑,最好能够降低摩擦和毛坯温降,以减少需要的设备吨位。建议高温合金、钛合金和不锈钢模锻时采用玻璃防护润滑剂对毛坯进行防护和润滑。

  针对特种合金的终锻温度高、锻造温度范围窄的特点,要求锻工操作熟练、反应灵敏,从毛坯出炉、传递到锻造的每个环节都要迅速、准确,尽量争取缩短锻造时间,达到“趁热打铁”的目的。

  针对特种合金合金化程度高、塑性低的特点,建议尽可能选择挤压、闭式模锻以及平锻机上闭式镦粗和挤压等的压应力状态下锻造的工序。

  针对特种合金终锻温度高、锻造温度范围窄、热导率低对模具激冷敏感的特点,所有与锻件接触的工夹模具都要严格依规定进行预热。


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