锻造方法与流程

本发明涉及金属锻造领域，尤其涉及一种锻造方法。

背景技术：

金属锻造是一种利用锻压机对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形的机械加工方法。通过锻造工艺可以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件。通过锻造能够消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构。同时由于锻造保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。锻造在负载高、工作条件严峻的重要机械零件的制造中具有重要应用。

高纯钛由于具有较高的比强度、优异的耐腐蚀性及良好的介电特性，被广泛地应用于航空航天、航海、化工和能源等领域。高纯钛的锻造工艺直接影响高纯钛锻件的质量及其应用。

然而，现有技术的锻造工艺存在锻造过程中锻件容易开裂的缺点。

技术实现要素：

本发明解决的问题是提供一种锻造方法，能够减少锻件的开裂现象。

为解决上述问题，本发明提供一种锻造方法，包括：提供铸锭；对所述铸锭进行第一热处理；对所述铸锭进行第一锻造，形成初始锻件；对所述初始锻件进行第二热处理；对所述初始锻件进行第二锻造，形成锻件；第一锻造过程中铸锭的变形量小于第二锻造过程中初始锻件的变形量。

可选的，所述铸锭的横截面为圆形，

对所述铸锭进行第一锻造的步骤中，将所述铸锭锻造成横截面为方形的长方体，形成初始锻件；

对所述初始锻件进行第二锻造的步骤中，将所述初始锻件锻造为横截面直径较小的圆柱，形成锻件。

可选的，对所述铸锭进行锻造的步骤中，通过自由锻造设备对铸锭进行 锻造；

所述自由锻造设备包括：相互平行的两个砧板；

所述第一锻造包括：通过两个砧板沿所述铸锭径向对铸锭施加压力；使所述砧板旋转90度，再对铸锭施加压力，将所述铸锭锻造成横截面为方形的长方体，形成初始锻件；

所述第二锻造包括：通过两个砧板沿所述初始锻件方形横截面对角线的方向对初始锻件施加压力；使所述砧板旋转60度，再对初始锻件施加压力；再次使所述砧板旋转60度，通过两个砧板对初始锻件施加压力，将所述初始锻件锻造为横截面为正六边形的直棱柱；使所述砧板旋转30度，通过两个砧板对初始锻件施加压力，重复该操作将所述初始锻件锻造成横截面为正十二边形的直棱柱；依次类推，将所述初始锻件锻造为横截面直径较小的圆柱，形成锻件。

可选的，对铸锭进行第一锻造的步骤中，使所述铸锭的变形量在15％～25％的范围内；

对初始锻件进行第二锻造的步骤中，使所述初始锻件的变形量在35％～45％的范围内。

可选的，所述提供铸锭的步骤中，所述铸锭横截面的直径为270～330mm；

对所述铸锭进行第一锻造的步骤中，使所述初始锻件正方形横截面的边长为230mm～250mm；

对所述初始锻件进行第二锻造的步骤中，使所述锻件圆形横截面的直径为170mm～220mm。

可选的，对所述铸锭进行第一热处理的步骤中，使所述铸锭达到第一温度；对所述初始锻件进行第二热处理的步骤中，使所述初始锻件达到第二温度；

所述第一温度小于第二温度。

可选的，对所述铸锭进行第一热处理的步骤中：通过电炉对所述铸锭进行第一热处理；

所述第一热处理的步骤包括：

将所述铸锭放入电炉；

使电炉升温，对所述铸锭进行预热；

使电炉升温至第一温度，对所述铸锭进行加热。

可选的，所述铸锭的材料为高纯钛；所述高纯钛指的是纯度为99.9％～99.999％的钛。

可选的，所述铸锭的材料为钛，使电炉升温至第一温度的步骤中，升温速度小于1摄氏度每分钟。

可选的，使电炉升温至第一温度，对所述铸锭进行加热的步骤包括：使电炉升温至960～1050摄氏度。

可选的，使电炉升温至第一温度，对所述铸锭进行加热的步骤包括：使所述铸锭在第一温度下保温100～200min。

可选的，所述铸锭的材料为钛，

所述使电炉升温，对所述铸锭进行预热的步骤包括：将电炉升温至600～850摄氏度，在600～850摄氏度下保温50～90min。

可选的，所述第二热处理的步骤包括：通过电炉对所述初始锻件加热至第二温度；在第二温度下进行保温。

可选的，所述铸锭的材料为钛，

通过电炉对所述初始锻件加热至第二温度的步骤中，所述第二温度为970～1100摄氏度。

可选的，在第二温度下进行保温的步骤中，保温时间为30～60min。

可选的，所述铸锭的材料为钛，

对所述铸锭进行第一锻造的步骤中，所述铸锭的温度大于700摄氏度；

对所述初始锻件进行第二锻造的步骤中，所述初始锻件的温度大于700摄氏度。

可选的，对所述铸件进行锻造的步骤之后，所述锻造方法还包括，对所述锻件进行退火处理，

所述铸锭的材料为钛，

对所述铸锭进行退火处理的步骤中，退火温度为650～700摄氏度，保温时间为50～80min。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明的锻造方法中，对所述铸锭进行锻造的过程分两步进行，第一锻造和第二锻造，第一锻造过程能够为铸锭的锻造变形起到过渡作用，铸锭的变形量较小，能够释放锻造产生的部分应力，从而减少开裂现象。其次，分两步锻造，可以使每次锻造铸锭的变形量较小，能够较容易地控制铸锭的变形，不容易使铸锭的外表面的氧化物在锻造过程中卷入铸锭外表面以内，而导致铸锭开裂。

可选方案中，预热后的升温速度为1摄氏度每分钟，对所述铸锭在第一温度下进行加热的时间为100～200min。也就是说，本发明的锻造方法中升温速度慢，加热时间较长，容易使铸锭受热较均匀，从而使热胀冷缩引起的应力容易释放，因此铸锭不容易开裂。

可选方案中，所述第一温度为960～1050摄氏度，第二温度为970～1100摄氏度。由于高纯钛在α相时塑性较小，处于β相时塑性增加，而高纯钛的β相变温度很高，本发明通过增加第一温度和第二温度，使高纯钛锻造时的温度在相变温度附近，从而能够实现对高纯钛锭的锻造。

附图说明

图1至图5是本发明锻造方法一实施例各步骤的结构示意图。

具体实施方式

现有的锻造方法存在诸多问题，例如：形成的锻件容易开裂。现结合现有技术的锻造方法，分析现有技术形成的锻件容易开裂的原因：

现有技术通过一次锻造使铸锭加工成待形成锻件，锻造过程中，铸锭变形量较大，铸锭的变形不容易控制，在锻造过程中铸锭表面的氧化层容易卷 入铸锭表面以内，导致形成的锻件容易开裂。

其次，现有技术锻造工艺会对铸锭进行热处理，然而所述热处理过程的升温速度较快，容易使铸锭受热不均匀，从而导致锻造过程中铸锭容易开裂。

此外，现有技术对铸锭进行热处理的温度低，使加热后的铸锭温度较低，很难达到高纯钛的相变温度，因此，现有技术很难对高纯钛进行锻造。

为解决所述技术问题，本发明提供了一种锻造方法，包括：提供铸锭；对所述铸锭进行第一热处理；对完成第一热处理的铸锭进行第一锻造，形成初始锻件；对所述初始锻件进行第二热处理；对完成第二热处理的所述初始锻件进行第二锻造，形成锻件；第一锻造过程中铸锭的变形量小于第二锻造过程中初始锻件的变形量。其中，对所述铸锭进行锻造的过程分两步进行，第一锻造和第二锻造，第一锻造过程能够为铸锭的锻造变形起到过渡作用，铸锭的变形量较小，能够释放锻造产生的部分应力，从而减少开裂现象。其次，分两步锻造，可以使每次锻造铸锭的变形量较小，能够较容易地控制铸锭的变形，不容易使铸锭的外表面的氧化物在锻造过程中卷入铸锭外表面以内，而导致铸锭开裂。

可选方案中，预热后的升温速度为1摄氏度每分钟，对所述铸锭在第一温度下进行加热的时间为100～200min。也就是说，本发明的锻造方法中升温速度慢，加热时间较长，容易使铸锭受热较均匀，从而使热胀冷缩引起的应力容易释放，因此铸锭不容易开裂。

可选方案中，所述第一温度为960～1050摄氏度，第二温度为970～1100摄氏度。由于高纯钛在α相时塑性较小，处于β相时塑性增加，而高纯钛的β相变温度很高，本发明通过增加第一温度和第二温度，使高纯钛在锻造时的温度在相变温度附近，从而能够实现对高纯钛锭的锻造。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

图1～图5是本发明锻造方法一实施例各步骤的结构示意图。所述锻造方法，包括：

请参考图1，图1中右图是左图的侧视图，提供铸锭100。

本实施例中，所述铸锭100为钛锭。具体地，所述铸锭100的材料为高纯钛，所述高纯钛指的是纯度大于99.9％的钛。本实施例中，所述铸锭100的纯度为99.9％～99.999％。但是本发明对此不做限定，所述铸锭100的材料还可以为钛合金。

本实施例中，所述铸锭100为圆柱体。所述铸锭100横截面直径D0为270～330mm。但是本发明对此不做限定，所述铸锭100还可以为横截面为正多边形的棱柱。

对所述铸锭100进行第一热处理，提高所述铸锭100的塑性，为后续锻造工艺创造条件。

参考图2，示出对所述铸锭100(如图1所示)进行第一热处理过程中，铸锭100温度随时间的变化曲线。

本实施例中，所述第一热处理的步骤包括：对所述铸锭进行预热处理，所述预热处理能够降低后续加热处理过程中锻件100的温差，减小热冲击，从而减少铸锭100在加热和锻造过程中的开裂现象；预热后升温至第一温度T2，使所述第一温度T2大于所述钛锭的相变温度；在第一温度T2下对所述铸锭进行加热，增加铸锭100的塑性，为后续的第一锻造提供条件。

具体的，所述预热处理的步骤包括：将所述铸锭100放入电炉；使电炉升温至预热温度T1对所述铸锭100进行预热。

本实施例中，如果预热温度T1过低，预热温度T1与所述第一温度T2相差较大，预热处理很难减小铸锭100在加热处理过程中的热冲击；如果预热温度T1过高，难以在较快的时间内达到所述预热温度T1从而会延长预热时间t1。因此，所述预热温度T1为600～850摄氏度。

本实施例中，如果预热时间t1过短，容易使铸锭100受热不均匀，很难减少裂缝；如果预热时间t1过长，容易产生能源浪费。因此，所述预热时间t1为50～90min。

需要说明的是，本实施例中，在对电炉进行升温之前，将所述铸锭100放入电炉中，这样的顺序有益于使铸锭100均匀受热。但是，本发明对此不做限定，所述预热处理的步骤还可以为在电炉升温至预热温度T1之后，再将 所述铸锭100放入所述电炉。

本实施例中，所述预热后升温至第一温度T2的步骤中，通过使电炉缓慢升温至所述第一温度T2。

本实施例中，缓慢升温能够使铸锭100受热均匀，减少铸锭100因受热不均匀在锻造过程中引起的裂缝。因此，升温速度小于1摄氏度每分钟。

需要说明的是，当钛锭处于α相时为密排六方晶系，原子排列紧密，所述铸锭100的塑性较差。当温度上升至所述钛锭的相变温度时，钛锭由α相转变为β相，晶格结构由立方晶系转变为单斜晶系，塑性增加。因此，所述铸锭100的锻造温度应选在所述铸锭100的相变温度附近。也就是说，所述缓慢升温至铸锭100的第一温度T2的步骤中，所述第一温度T2应高于所述铸锭100的相变温度。具体的，所述第一温度T2比所述铸锭100的相变温度高50～100摄氏度。

还需要说明的是，所述铸锭100中钛的含量越高，相变温度越高。本实施例中，所述铸锭100的材料为高纯钛，具体的，所述铸锭100的纯度在99.9％～99.999％范围内。高纯钛的相变温度较高，因此，要实现对高纯钛锭的锻造，所述第一温度T2不能过低；如果所述第一温度T2过高，容易产生能量浪费。本实施例中，所述第一温度T2为960～1000摄氏度。所述升温时间t2为110～400min。

但是，本发明对所述第一温度T2不做限定，在其他实施例中，所述铸锭的材料为钛合金。由于钛合金的相变温度较低，因此，所述第一温度也可以较低，具体的，所述第一温度可以为800～900摄氏度。

本实施例中，所述加热处理的步骤包括：使炉温稳定在第一温度T2下，对所述铸锭100加热。

对所述铸锭100加热的过程中，如果加热时间t3过短，很难使铸锭100受热均匀；如果加热时间t3过长，容易引起能量浪费。本实施例中，为保证铸锭100受热均匀，所述铸锭100的加热时间t3较长，具体的，所述加热时间t3为100～200min。但是本发明对此不做限定，在其他实施例中，例如，所述铸锭的材料为钛合金，相应的，所述加热时间可以较短，具体的，所述加 热时间为50～100min。

需要说明的是，本实施例中，所述铸锭100的材料为钛，金属钛在加热过程中，表面会形成一层致密的氧化层，所述氧化层覆盖所述铸锭100，能够阻止铸锭100被进一步氧化。因此，对所述铸锭100缓慢加热并延长加热时间t3可以增加铸锭100受热的均匀性，且不容易增加铸锭100的氧化程度。

请参考图3，对所述铸锭100进行第一锻造，第一锻造过程中铸锭100的变形量小于后续第二锻造过程中初始锻件的变形量。所述第一锻造能够对铸锭100的变形起过渡作用，能够使铸锭100内的应力释放，从而减少铸锭100开裂现象。

本实施例中，通过自由锻造设备对所述铸锭100进行第一锻造，具体地，所述自由锻造设备包括两个砧板110，所述砧板110用于为铸锭100提供压应力。

具体的，所述第一锻造的步骤包括：通过所述砧板110对所述铸锭100的径向施加压力；使砧板110沿铸锭100圆周切向旋转90度对所述铸锭100施加压力，将所述铸锭100的横截面锻造成方形横截面，形成初始锻件101。

需要说明的是，如果第一锻造过程中铸锭100的变形量过小，很难对铸锭100的变形起过渡作用；如果第一锻造过程中铸锭100的变形量过大，对铸锭100的变形量很难控制，且铸锭100内的应力很难释放，容易导致铸锭100开裂。因此，本实施例中，第一锻造过程中，所述铸锭100的变形量在15％～25％的范围内，所形成的初始锻件101的边长d为230mm～260mm的范围内。

请参考图4，对所述初始锻件进行第二热处理，所述第二热处理用于增加初始锻件101的塑性，降低初始锻件101的变形阻抗，为后续的第二锻造创造条件。

本实施例中，所述第二热处理的步骤包括：将所述锻件101放入电炉120，缓慢升温至第二温度；在所述第二温度下进行保温。

需要说明的是，所述第二热处理用于为后续的第二锻造创造条件，提高所述初始锻件101的塑性。所述第二锻造需要细化所述初始锻件101的晶粒， 使初始锻件101的变形量较大，因此，第二锻造过程对所述初始锻件101的温度要求不低于第一锻造对铸锭100的温度要求，也就是说，所述第二温度大于或等于第一温度T2。具体的，本实施例中，所述第二温度略高于第一温度T2。

还需要说明的是，如果第二温度过低，初始锻件101的塑性很难提高，从而难以在后续第二锻造过程中，使初始锻件101发生足够的变形，形成锻件；如果第二温度过高，初始锻件101的变形很难控制。因此，具体的，本实施例中，所述第二温度在970～1100摄氏度。但是，本发明对此不做限定，在其他实施例中，所述铸锭的材料为钛合金，由于钛合金的相变温度较低，因此，所述第二温度也可以相对较低，具体的，所述第二温度可以为850～960摄氏度。

此外，如果在所述第二温度下进行保温的步骤中，保温时间过短，难以保证初始锻件101受热均匀；如果所述保温时间过长容易产生能量浪费。本实施例中由于第一锻造结束后所述锻件101的温度较高，与第二温度的温差较小，因此，所述保温时间不必过长。具体的，所述保温时间为30～60min。

如图5所示，对所述初始锻件101进行第二锻造，形成锻件102。所述第二锻造用于细化晶粒或改变晶粒取向，改善组织性能。第二锻造过程中初始锻件101的变形量大于第一锻造过程中铸锭100(如图3所示)的变形量。

本实施例中，所述第二锻造的步骤包括：通过两个砧板110沿所述初始锻件101方形横截面对角线的方向对初始锻件101施加压力；使所述砧板110在垂直于所述初始锻件101轴线旋转60度，对初始锻件101施加压力；再次使所述砧板110在垂直于所述初始锻件101轴线的平面内旋转60度，通过两个砧板110对初始锻件101施加压力，将所述初始锻件101锻造成横截面为正六边形的直棱柱；

使所述砧板110在每旋转30度的位置处对初始锻件101施加压力，将所述横截面为正六边形的直棱柱锻造成横截面为正十二边形的直棱柱；

重复上述操作直至将所述初始锻件101锻造为横截面为圆形的锻件102。

本实施例中，通过对初始锻件101多次施加压力，使初始锻件101经多 次变形，形成所述锻件102。这种锻造方法能够有效控制初始锻件101的变形，且不容易使初始锻件101的外表面的氧化物在锻造过程中卷入初始锻件101表面以内，从而能够减少开裂。

需要说明的是，如果所述第二锻造的变形量过小，很难细化晶粒、改善组织结构；如果所述第二锻造的变形量过大，容易将初始锻件101表面的氧化层卷入锻件内部，使锻件开裂。因此，本实施例中，所述第二锻造过程中，使所述初始锻件101的变形量在35％～45％的范围内，所形成的锻件102横截面的直径D1在270～33mm的范围内。

需要说明的是，本实施例中所述铸锭100(如图1所示)的材料为钛，当钛锭的温度低于相变温度时，钛锭的变形阻抗急剧增加，不利于锻造。因此，对所述钛锭进行锻造时，所述钛锭的温度不能过低。具体的，本实施例中，所述钛锭为高纯钛锭，所述高纯钛锭的相变温度大于760摄氏度，相应地，所述第一锻造和第二锻造过程中，锻造温度不能低于760摄氏度。

本实施例中，在对所述初始锻件101进行锻造的步骤之后，所述锻造方法还包括，对所述锻件102进行退火处理，所述退火处理为再结晶退火，所述再结晶退火能够消除锻件102内的残余应力，减小变形与裂纹。

本实施例中，通过电炉对所述锻件102进行退火处理。所述退火处理的步骤包括：将电炉升温至退火温度；将所述锻件102放入电炉中，在所述退火温度下保温；关闭电炉，使所述锻件102随炉冷却。

需要说明的是，如果退火温度过低，很难消除锻件102内的残余应力；如果退火温度过高，容易导致锻件102硬度过低。因此，本实施中，所述退火温度在650～700摄氏度范围内。

此外，如果退火时间过短，很难消除锻件102内的残余应力；如果退火时间过长，残余应力不会再随退火时间增加而消除，且容易增加能耗。因此，本实施例中，所述保温时间为50～80min。

还需要说明的是，对所述铸件102进行退火处理之后，所述锻造方法还包括：对所述锻件102进行机械加工，将所述锻件102加工为尺寸符合要求的成品锻件。

具体的，对所述锻件102进行机械加工的步骤包括：通过车削外圆的方法对所述锻件102的外圆周进行加工处理，去除所述锻件102表面的氧化层。此外，还可以将所述锻件102加工为尺寸和曲率符合设计要求的成品锻件。

本实施例是以将大直径的圆柱形铸锭锻造为小直径圆柱形锻件为例进行详细说明的，但是本发明对此不做限定，在其他实施例中，还可以将圆柱形铸锭加工为横截面为正多边形的棱柱。

综上，本发明的锻造方法中，对所述铸锭进行锻造的过程分两步进行，第一锻造和第二锻造，第一锻造过程能够对铸锭的锻造变形起到过渡作用，铸锭的变形量较小，能够释放锻造产生的部分应力，从而减少开裂现象。此外，分两步锻造，可以使每次锻造铸锭的变形量较小，能够较容易地控制铸锭的变形，不容易使铸锭的外表面的氧化物在锻造过程中卷入铸锭外表面以内，而导致铸锭开裂。

其次，预热后的升温速度为1摄氏度每分钟，对所述铸锭在第一温度下进行加热的时间为100～200min。也就是说，本发明的锻造方法中升温速度慢，加热时间较长，容易使铸锭受热较均匀，从而使热胀冷缩引起的应力容易释放，因此铸锭不容易开裂。

此外，所述第一温度为960～1050摄氏度，第二温度为970～1100摄氏度。由于高纯钛在α相时塑性较小，处于β相时塑性增加，而高纯钛的β相变温度很高，本发明通过增加第一温度和第二温度，使高纯钛在锻造时的温度在相变温度附近，从而能够实现对高纯钛锭的锻造

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。