一種鋼的半固態坯料製備方法與流程
2023-04-23 21:32:39 1
本發明涉及一種鋼的半固態坯料製備方法，屬於半固態坯料製備領域。
背景技術：
20世紀70年代，Flemings等提出了金屬半固態成形技術(Semi-Solid Mental Forming Processes, SSM)。與常規金屬成形工藝相比較，金屬半固態成形具有很多優點，能以較高速度成形獲得內部組織性能好、尺寸精度高的複雜金屬零件，被專家們稱為21世紀新興的金屬製造關鍵技術之一，而製備具有均勻細小的等軸非枝晶組織、既有較高固相率（便於夾持）、又具有相當低的剪切流動應力（便於充型）的半固態坯料是金屬半固態觸變成形的基礎與關鍵, 也是半固態成形研究領域的重要課題。
目前，常用的半固態坯料製備方法有：攪拌法（機械攪拌法、電磁攪拌法等）、非攪拌法（旋轉冷卻針法、SSIT法等）和固相法（SIMA法、形變熱處理法、粉末冶金法等）。但是，這些方法目前多用於製備鋁合金、鎂合金等低熔點合金的半固態坯料。
由於鋼的熔點高，固液線溫度區間相對較小，因此對加工設備的耐高溫性能要求較高，且其流變特性不易測定，導致其半固態坯料的製備困難；目前用於鋼的半固態坯料製備方法有機械攪拌法，電磁攪拌法，傾斜板冷卻法，應變誘導熔體活化法(Strain Induced Melt Activation, SIMA)等。其中機械攪拌法攪拌器直接與熔體接觸，容易受到熔體侵蝕,壽命短,並會對熔體產生汙染；電磁攪拌法則需要電磁攪拌設備，費用昂貴，成本高；採用攪拌法、傾斜冷卻板法等凝固的方法，一般會出現氣孔，縮松，成分偏析等微觀缺陷，並且常應用於半固態流變成形的製漿；而應變誘導熔體活化法(Strain Induced Melt Activation, SIMA)將固體坯料進行大的塑性變形，以獲得晶粒細小的SIMA原料，再將其加熱到固液兩相區保溫一段時間，它製備出的金屬半固態坯料較為純淨，且生產效率高，它不僅適用於低熔點合金而且可用於高熔點合金材料的半固態坯料的製備，但是，SIMA法中塑性變形常用的方法有鐓粗，擠壓，等徑角擠壓，模鍛等。
鐓粗，擠壓等常規方法製備半固態坯料時，存在變形量小，變形不均勻等缺點最後導致製備出來的半固態坯料組織球化率低，晶粒大小不均勻。等徑角擠壓，模鍛等新方法，具有變形量大，但需要製造模具，增加了成本，對設備要求也較高;且多用於鋁、鎂等低熔點合金的半固態坯料的製備。但是對於鋼鐵等高熔點合金材料，它的半固態坯料的製備將更加困難。
技術實現要素：
為了解決上述技術問題，本發明提供一種鋼的半固態坯料製備方法，該方法操作簡單，效率高，工藝流程短，設備要求低，成本低，且能夠製備出組織均勻細小，球化率好，固相分數為20%~60%的半固態坯料。
本發明採用的技術方案是：一種鋼的半固態坯料製備方法，包括如下具體製備步驟：
1）將高溫電阻爐加熱至1100℃~1200℃，再將已精確下料的鋼坯料放入電阻爐中進行加熱保溫，保溫時間為：t=0.5D~0.7D，單位為：min, D—坯料最大截面的尺寸，單位為：mm；
2）將坯料夾持到鍛錘的下砧板上，沿坯料的軸向進行鐓粗變形，使之達到設定的變形量；
3）鐓粗完成後，將坯料拔長鍛造，恢復至坯料初始尺寸；
4）在鍛造溫度範圍內,多次重複步驟2）、3），然後將坯料快速冷卻至室溫；
5）迅速將高溫電阻爐的爐溫達到鋼的半固態溫度1250℃~1450℃，將鐓拔後的坯料放入高溫電阻爐內加熱保溫，獲得鋼的半固態坯料。
上述的鋼的半固態坯料製備方法中，步驟2）中，設定的變形量不小於20%。
上述的鋼的半固態坯料製備方法中，步驟4）中，重複步驟2）、3）2-5次，坯料的終鍛溫度為：800℃~850℃。
上述的鋼的半固態坯料製備方法中，步驟4）中，在重複步驟2）、3）過程中，次數未達到而坯料溫度低於終鍛溫度時,將坯料放回高溫電阻爐中進行加熱、保溫，然後繼續重複步驟2）、3）。
上述的鋼的半固態坯料製備方法中，步驟5）中，將高溫電阻爐以5℃/min ~15℃/min的升溫速度升溫。
上述的鋼的半固態坯料製備方法中，步驟5）中，向高溫電阻爐內通入惰性氣體或抽真空，坯料在惰性氣體或抽真空狀態下保溫5min~30min。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
（1）本發明的方法只需鋼在鍛造溫度範圍內進行軸向多道次鐓拔達到大塑性變形，以細化晶粒、儲存變形能，結合半固態溫度的等溫處理局部熔化、球化坯料，即可製備出合格的鋼的半固態坯料；工藝步驟簡單，成本低；同時，對設備要求低，大型設備只需鍛錘和高溫電阻爐；此外，該方法涉及的是傳統的自由鍛造和半固態等溫處理，故本方法簡單，易操作。
（2）本發明可實現坯料的大塑性變形，使枝晶破碎，細化晶粒，儲存大量變形能，達到應變誘導效果；此外，在鐓拔前，我們通過鍛造比來控制變形量，規範了鐓拔過程中的鐓粗拔長尺寸，保證變形量在20%以上，結合隨後的半固態等溫處理，可獲得組織均勻細小，球化率好，固相分數合理的半固態坯料。本發明不需製造制坯模具，簡化了工藝，降低了成本。
（3）本發明製備的鋼的半固態坯料可以直接用於半固態觸變成形，省去了二次加熱過程，簡化了工藝流程，節約成本；也可以快速冷卻至室溫，保存半固態坯料。
（4）本發明能有效解決鋼的固液線溫度區間較小，受加工設備高溫性能局限性的影響較大，較難獲得非枝晶組織，流變特性不易測定等技術難題，實現高質量鋼的半固態坯料的製備。
附圖說明
圖1是本發明的工藝流程圖。
圖2是總鍛比為13.8，三鐓三拔快速冷卻後的軸承鋼微觀組織。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步的說明。
實施例1
如圖1所示，本實施例採用100Cr6軸承鋼為例，其半固態坯料的製備方法如下：
（1）通過查文獻所得100Cr6軸承鋼的鍛造溫度範圍為800℃~1100℃；固相溫度點1307℃，液相溫度點1491℃。
（2）將高溫電阻爐加熱至始鍛溫度1100℃，再將已精確下料的100Cr6軸承鋼坯料，採用線切割的方法對原材料切割，坯料尺寸Φ50mm×90mm，放入高溫電阻爐中，保溫大約30min。
（3）將經過步驟2）處理的100Cr6軸承鋼夾持到400公斤空氣錘的下砧板上，採用寬平砧鐓拔法，鍛造比為2.3，將坯料鐓粗，終鍛溫度800℃。
（4）鐓粗完成後，將坯料拔長鍛造，恢復至原坯料尺寸Φ50mm×90mm。
（5）在鍛造溫度範圍內，重複步驟（3）、（4）3次；坯料的終鍛溫度800℃，實驗過程中，採用紅外測溫儀測量溫度，採用鋼尺，卡尺測量尺寸，坯料溫度低於終鍛溫度時回爐再次加熱保溫，然後將坯料淬火至室溫。
（6）將高溫電阻爐通入氬氣並以15℃/min的升溫速度，迅速將爐溫達到半固態溫度1390℃，並保持溫度恆定，然後將鐓拔後的坯料運送到高溫電阻爐內，在氬氣保護下保溫5 min ~30min，獲得100Cr6軸承鋼的半固態坯料。
如圖2所示，結果表明本發明能夠製備出組織均勻細小，晶粒尺寸在100μm以下，球化好，固相分數在20%~60%的鋼的半固態坯料。本發明還具有操作簡單，變形量大，變形易控制，對設備要求低，成本低的優點。
實施例2
本實施例採用60Si2Mn彈簧鋼為例，其半固態坯料的製備方法如下：
（1）通過查文獻所得60Si2Mn彈簧鋼的鍛造溫度範圍為850℃~1200℃；固相溫度點1410℃，液相溫度點1480℃。
（2）將高溫電阻爐加熱至始鍛溫度1200℃，再將精確下料好的坯料，採用線切割的方法對原材料切割，坯料尺寸Φ50mm×90mm，放入高溫電阻爐中，保溫大約30min。
（3）將經過步驟2）處理的60Si2Mn彈簧鋼夾持到400公斤空氣錘的下砧板上，採用寬平砧鐓拔法，鍛造比為2，將坯料鐓粗，終鍛溫度850℃。
（4）鐓粗完成後，將坯料拔長鍛造，恢復至原坯料尺寸Φ50mm×90mm，終鍛溫度850℃。
（5）在鍛造溫度範圍內，重複步驟（3）、（4）次；坯料的終鍛溫度850℃，實驗過程中，採用紅外測溫儀測量溫度，採用鋼尺，卡尺測量尺寸，坯料溫度低於終鍛溫度時回爐再次加熱保溫，然後將坯料淬火至室溫。
（6）將高溫電阻爐抽真空並以10℃/min的升溫速度，迅速將爐溫達到半固態溫度1450℃，並保持溫度恆定，然後將坯料運送到高溫電阻爐內，在真空保護下保溫5 min ~30min，獲得60Si2Mn彈簧鋼的半固態坯料。
實施例3
本實施例採用X210CrW12工具鋼為例，其半固態坯料的製備方法如下：
（1）通過查文獻所得X210CrW12工具鋼的鍛造溫度範圍為850℃~1150℃；固相溫度點1200℃，液相溫度點1400℃。
（2）將高溫電阻爐加熱至始鍛溫度1150℃，再將精確下料好的坯料，採用線切割的方法對原材料切割，坯料尺寸Φ50mm×90mm，放入高溫電阻爐中，保溫大約30min。
（3）將經過步驟2）處理的X210CrW12工具鋼夾持到400公斤空氣錘的下砧板上，採用寬平砧鐓拔法，鍛造比為2，將坯料鐓粗，終鍛溫度850℃。
（4）鐓粗完成後，將坯料拔長鍛造，恢復至原坯料尺寸Φ50mm×90mm，終鍛溫度850℃。
（5）在鍛造溫度範圍內，重複步驟（3）、（4）5次；坯料的終鍛溫度850℃，實驗過程中，採用紅外測溫儀測量溫度，採用鋼尺，卡尺測量尺寸，坯料溫度低於終鍛溫度時回爐再次加熱保溫，然後將坯料淬火至室溫。
在重複步驟2）、3）過程中，重複次數尚未達到5次，而坯料溫度低於終鍛溫度時,將坯料放回高溫電阻爐中進行加熱、保溫，然後繼續重複步驟2）、3）。
（6）將高溫電阻爐抽真空並以5℃/min的升溫速度，迅速將爐溫達到半固態溫度1250℃，並保持溫度恆定，然後將坯料運送到高溫電阻爐內，在真空保護下保溫5min ~30min，獲得X210CrW12工具鋼的半固態坯料。