一种大径厚比盘形耐热钢锻件的低氧化补温锻造成形方法与流程

本发明涉及一种大径厚比盘形耐热钢锻件的低氧化补温锻造成形方法，属于锻造加工技术领域。

背景技术：

目前，对于大径厚比空心盘形锻件，传统的制造方法往往是采用分段锻造，最后拼焊成整环，但是，该方法容易导致盘坯变形并带有焊接缺陷，在交变应力或苛刻工况下容易发生断裂等时效行为，影响设备寿命及使用安全。

目前也出现了一些一体成型的大径厚比空心盘形锻件，但是仍然存在制坯完成后需要二次加热锻造，增加生产成本和能源消耗，同时二次加热过程难以有效消除辗环制坯过程产生的组织粗大及混晶现象，盘体性能稳定性较差。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种大径厚比盘形耐热钢锻件的低氧化补温锻造成形方法，该法锻件的应力得以均匀缓慢释放，有效抑制盘体翘曲变形，同时能够确保耐热钢模锻过程发生动态再结晶细化晶粒，促进微纳米碳氮化合物弥散析出，提升锻件强韧性匹配及高温力学性能。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种大径厚比盘形耐热钢锻件的低氧化补温锻造成形方法，包括以下步骤：

S01，将耐热钢棒料毛坯使用中频感应加热至1100℃～1200℃，采用自由敦粗与冲孔相复合的工艺进行制坯，坯料径厚比为(5.0～6.0)：1；

S02，对S01获得的坯料进行径-轴向辗环扩孔，辗环终止温度750～850℃，扩孔后坯料径厚比为(20.0～50.0)：1；

S03，对S02获得的坯料补温加热至1100℃～1150℃，采用开式模锻进行近净成形，获得大径厚比盘形锻件；

S04，对S03获得的锻件置于保温罩内缓冷，抑制模锻过程中非对称应变造成的盘体翘曲变形。

所述耐热钢为低碳合金耐热钢，包含有Cr、Ni、Mo、Ti合金元素，还包括V、Nb中的任意一种或两种。

所述大径厚比盘形锻件的外径尺寸是Φ500～2000mm，内径尺寸是Φ200～1000mm，轴向厚度尺寸是20～50mm。

所述大径厚比盘形锻件为空心结构，盘面一侧或两侧带有凸起筋；所述凸起筋长120～140mm，高30～35mm，厚10～15mm。

S03的补温加热和S01的中频感应加热的加热速率均为15～20℃/s。

S04中缓冷的速率为0.05℃/s～0.15℃/s。

S02的辗环终止温度750～850℃，此时大量Ti、Nb、V等的合金碳、氮化合物在亚晶界、位错及畸变带处析出，有效阻止奥氏体晶粒进一步长大，提升锻件强韧性匹配及高温力学性能。

S03的补温过程为使用圆环中频感应炉进行快速加热，加热速度为15～20℃/s，坯料烧损量小于0.5％，实现低氧化补温。补温过程具有以下作用效果，使得坯料完全奥氏体化，Cr、Ni、Mo等合金元素完全固溶于奥氏体中，快速升温及析出的Ti、Nb、V等的合金化合物有效阻止奥氏体晶粒进一步长大，确保锻件具有较细晶粒度，获得较高强韧性。

S04的保温罩能够实现盘体缓冷进而使得模锻过程中非对称应变造成的内应力均匀缓慢释放，冷却速度为0.05～0.15℃/s，有效抑制盘体翘曲变形。

本发明原理如下：

原料敦粗制坯及辗环扩孔过程中的高温及大变形导致奥氏体晶粒异常粗大，辗环终了温度为750℃～850℃，此时大量Ti、Nb、V等的合金碳、氮化合物在亚晶界、位错及畸变带处析出，采用中频感应炉快速补温加热至1100℃～1150℃，Cr、Ni、Mo等合金元素充分溶解至奥氏体中，快速升温及析出的Ti、Nb、V等的合金化合物有效阻止奥氏体晶粒进一步长大。盘体表面具有复杂凸起筋结构，开式模锻过程中产生足够的形变储能加之补温带来的热力学条件，促使耐热钢发生动态再结晶，动态再结晶反复成核及有限长大的特点使得奥氏体晶粒得以细化，同时溶解至奥氏体中的合金元素能够有效抑制模锻后的静态再结晶，进一步细化晶粒。锻后冷却过程中，Ti、Nb、V的合金化合物作为相变核心，大量弥散分布的纳米尺度Ti、Nb、V的析出物并促使微纳米级Fe、Cr、Mo的碳氮化合物在相间或晶界形成，使得组织细化，提高锻件强韧性及高温力学性能与稳定性。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：(1)本发明补温加热促进模锻过程金属填充完整，锻件尺寸结构精度大幅提升，能够实现近净成形；(2)辗环终止温度和补温过程有利于促进锻件晶粒细化及微纳米级碳氮化合物的弥散析出，充分挖掘耐热合金刚潜力，显著提升锻件强韧性及高温力学性能；(3)保温罩的缓冷作用能够确保盘体模锻过程中非对称应变产生的内应力缓慢均匀释放，有效抑制盘体冷却后翘曲变形现象。

附图说明

图1为本发明的实施例1获得的大径厚比盘形锻件的晶粒度图；

图2为本发明的实施例1获得的大径厚比盘形锻件组织的透射电镜图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明，以下实施例所采用的耐热钢为Cr-Mo-Ni-V系热强钢，其成分如表1所示。

表1锻造用Cr-Mo-Ni-V系热强钢主要化学成分表(单位wt％)

实施例1：

如图1～图2所示，一种大径厚比盘形耐热钢锻件的低氧化补温锻造成形方法，包括以下步骤：

S01，将棒料毛坯使用中频感应加热至1100℃～1120℃，利用单臂自由锻电液锤根据自由敦粗与冲孔相复合的工艺进行制坯，过程中使用冲孔模进行冲孔，终锻温度为1050℃～1100℃，坯料径厚比为5.6：1；

S02，将上述坯料直接安装至数控辗环机上并定位，无需二次加热，辗环终止温度为750℃～850℃，坯料径厚比为36.1：1；

S03，将上述坯料直接移入环形中频感应加热炉加热至1100～1120℃，加热速度为15℃/s，采用开式模锻的方式进行近净成形，终锻温度为920～950℃；

S04，将上述模锻产品移入保温罩内缓慢冷却至室温，冷却速度为0.1℃/s。

实施例2：

如图1～图2所示，一种大径厚比盘形耐热钢锻件的低氧化补温锻造成形方法，包括以下步骤：

S01，将棒料毛坯使用中频感应加热至1180℃～1200℃，利用单臂自由锻电液锤根据自由敦粗与冲孔相复合的工艺进行制坯，过程中使用冲孔模进行冲孔，终锻温度为1050℃～1080℃，坯料径厚比为5.1：1；

S02，将上述坯料直接安装至数控辗环机上并定位，无需二次加热，辗环终止温度为750℃～780℃，坯料径厚比为42.1：1；

S03，将上述坯料直接移入环形中频感应加热炉加热至1130～1140℃，加热速度为15℃/s，采用开式模锻的方式进行近净成形，终锻温度为900℃～1050℃；

S04，将上述模锻产品移入保温罩内缓慢冷却至室温，冷却速度为0.05℃/s。

实施例3：

如图1～图2所示，一种大径厚比盘形耐热钢锻件的低氧化补温锻造成形方法，包括以下步骤：

S01，将棒料毛坯使用中频感应加热至1170℃～1190℃，利用单臂自由锻电液锤根据自由敦粗与冲孔相复合的工艺进行制坯，过程中使用冲孔模进行冲孔，终锻温度为1090℃～1100℃，坯料径厚比为5.8：1；

S02，将上述坯料直接安装至数控辗环机上并定位，无需二次加热，辗环终止温度为790℃～800℃，坯料径厚比为27.3：1；

S03，将上述坯料直接移入环形中频感应加热炉加热至1140～1150℃，加热速度为20℃/s，采用开式模锻的方式进行近净成形，终锻温度为980～990℃；

S04，将上述模锻产品移入保温罩内缓慢冷却至室温，冷却速度为0.15℃/s。

实施例4：

如图1～图2所示，一种大径厚比盘形耐热钢锻件的低氧化补温锻造成形方法，包括以下步骤：

S01，将棒料毛坯使用中频感应加热至1200℃，利用单臂自由锻电液锤根据自由敦粗与冲孔相复合的工艺进行制坯，过程中使用冲孔模进行冲孔，终锻温度为1140℃，坯料径厚比为5.4：1；

S02，将上述坯料直接安装至数控辗环机上并定位，无需二次加热，辗环终止温度为750℃，坯料径厚比为38.5：1；

S03，将上述坯料直接移入环形中频感应加热炉加热至1150℃，加热速度为18℃/s，采用开式模锻的方式进行近净成形，终锻温度为1000℃；

S04，将上述模锻产品移入保温罩内缓慢冷却至室温，冷却速度为0.15℃/s。

组织性能及盘体变形量检测：

根据国标GB/T 228.1-2010和GB-T229-2007测试实施例1～4试样室温拉伸及冲击韧性，测试结果如表2所示。根据国标GB/T 4338-2006金属材料高温拉伸试验方法测试试样500℃时的拉伸性能，测试结果如表3所示。使用塞尺检测各实施例获得盘体的变形量，测试结果见表4。

表2各实施例获得锻件的常温力学性能

表3各实施例获得锻件的高温力学性能

表4各实施例获得锻件的变形量

在实施例1获得的锻件上取样，经过机械打磨、抛光后，用饱和苦味酸和洗洁精混合溶液进行擦蚀，利用光学金相显微镜对晶粒度进行检测，检测结果如图1，利用透射电子显微镜观察锻件微纳米析出物，结果如图2所示。

实施例1～4获得的一种大径厚比盘形锻件尺寸结构均达到设计要求，由图可知，盘体及盘面复杂凸起结构成形完整，无损探伤结果表明未出现锻造裂纹等缺陷。由表2和表3各实施例锻件的常温和高温力学性能参数可知，该方法制得大径厚比盘形锻件力学性能优异，具有良好的强韧性匹配，500℃条件下拉伸力学性能优异。表4变形量测试结果显示各实施案例获得锻件变形程度较小，表明该方法能够有效抑制盘体变形。由图1晶粒度照片可知，该方法能够确保锻件晶粒度达到7～8级，细小的晶粒有利于锻件力学性能的提升，由图2锻件透射电镜照片可知，该方法使得锻件在相间或晶界处分布大量微纳米析出物，其尺寸为30～100nm，同时锻件位错密度较高，确保锻件具有优异的强韧性匹配及高温力学性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。