Gh742合金大鋼錠的保溫鍛造開坯方法
2023-10-31 11:26:27 1
專利名稱：Gh742合金大鋼錠的保溫鍛造開坯方法
技術領域：
本發明涉及冶金行業高溫合金的熱加工開坯方法，尤其是指難變形高溫合金的鍛造開坯方法。
背景技術：
高溫合金是現代航空發動機、火箭發動機所必需的重要金屬材料。它能在高溫(一般指600～900℃)、氧化氣氛和燃氣腐蝕條件下，承受較大應力並長期使用。由於高溫合金的合金化程度都很高，因此熱加工開坯十分困難。合金化程度可以初步確定高溫合金的熱加工成型性能合金化程度相對較低的高溫合金變形抗力也低，塑性變形較好，比較容易熱加工變形；而合金化程度高的高溫合金，熱加工溫度範圍狹窄，變形抗力大，塑性變形較差，熱加工開坯成型十分困難。一般而言，熱加工溫度範圍狹窄，鍛造開坯十分困難的高溫合金，稱之為難變形高溫合金。
目前，國內外難變形高溫合金的熱加工開坯方法有三種擠壓機開坯、鍛壓機鍛造、熱軋機包套軋制。擠壓機開坯，使鋼錠處於三向壓應力狀態，可以充分發揮合金在變形溫度下的塑性，熱加工開坯相對容易，但需要大噸位快速擠壓機設備(8000噸以上)，而國內尚無此種擠壓設備，故該方法常見於國外鋼廠；熱軋機包套軋制，先將鋼錠套入尺寸匹配的金屬管(如純鐵管，可以減緩鋼錠的冷卻速度，延遲鋼錠的熱加工變形時間)內一起加熱，然後利用熱軋機將鋼錠、金屬管熱加工軋制開坯，但由於難變形高溫合金的變形抗力很大，熱加工軋制時，大鋼錠(鋼錠直徑＞350mm)容易損壞軋鋼機設備，故該方法僅適用於小鋼錠(鋼錠直徑＜250mm)。因此，難變形高溫合金大鋼錠(直徑＞350mm的大錠型)的熱加工開坯，國內鋼鐵公司只能採用鍛壓機鍛造的開坯方法(鋼錠處於單向壓應力、兩向拉應力的狀態)。
主要用於製造航空發動機渦輪盤(渦輪盤是渦輪發動機關鍵構件，型狀複雜，受力大，使用溫度高，工作條件惡劣，因此對材料要求很高，要求材料具有足夠的熱強性，良好的綜合性能和儘可能高的高溫抗氧化能力)、壓氣機盤、軸、緊固件和其它零部件(特別是高性能飛機發動機和中遠程巡航飛彈動力裝置中的關鍵堆部件)的GH742高溫合金，是一種高合金化的現代渦輪盤材料，屬於公認的一種難變形高溫合金。GH742的合金化程度較高(具有較高的Al、Ti、Nb、Mo含量，時效強化元素Al、Ti、Nb之和大於7.8％，固溶強化元素Mo含量較高，並採用Co和La補充強化；合金組織中形成複雜的Ni-Cr-Co固溶體，和高達35％的Ni3Ti、Ni3Al、Ni3Nb型γ′強化相)，因而具有很高的熱強性和良好的綜合性能，但熱加工塑性性能較差，熱加工溫度範圍狹窄(一方面，當合金溫度≤1120℃時，隨著溫度的升高，變形抗力急劇下降，當合金溫度≥1120℃時，隨著溫度的升高，變形抗力下降速度緩慢，隨著溫度的升高，合金的塑性增加，並在1140℃左右達到最大值115％，然後隨溫度的升高合金的塑性急劇下降，當溫度低於1050℃時合金己無法進行熱加工變形，故合金的最佳變形溫度是1050～1140℃，範圍只有90℃；另一方面，一般情況下鑄錠從出爐到開鍛，鋼錠表面溫度下降約為70～90℃；故GH742合金鑄錠加熱溫度規定為1140±10℃，終鍛溫度為≥1050℃。)，因此，GH742合金熱加工鍛壓開坯的可操作性相當困難。鍛壓開坯時，若不採取必要的保溫措施，難以獲得表面無顯著裂紋且組織性能合格的坯料(理論上，合金鑄錠的一火鍛造的變形量≥50％時，才能有效破碎鋼錠的鑄態組織。而生產實踐中，若不採取相當的保溫措施，則鋼錠初鍛的實際溫度大約1050～1070℃左右，在這種情況下鍛造，鋼錠的表面裂紋難以避免，而難形高溫合金的裂紋擴展速率較快，無法進行大變形鍛造，只能採用多火次、小變形量的鍛造生產，造成鋼錠的鑄態組織不能得到有效的破碎。)。
目前，用於GH742合金熱加工鍛壓開坯的常見保溫措施中，比較可行的是包套技術，也就是鍛壓機包套鍛造，先將鋼錠套入尺寸匹配的金屬管(如純鐵管，可以減緩鋼錠的冷卻速度，延遲鋼錠的熱加工變形時間)內一起加熱，然後利用鍛壓機，多火次(鍛造變形時，對難變形合金而言其允許的最大變形程度較小，而塑性變形溫度很窄，熱加工時間很短，故需要多火次鍛造)將鋼錠、金屬管熱加工鍛壓開坯，不足之處是多火次鍛壓開坯過程中，要準備尺寸不同的純鐵管包套，對鋼錠(或鍛坯)進行包套處理，工藝複雜，生產時間較長，成本較高，且合金坯的形狀也受到限制(相對而言，圓形合金坯比較容易，方形合金坯比較困難)。
綜上所述，大鋼錠(鋼錠直徑大於350mm)的熱加工開坯(就國內技術裝備條件而言，就是熱加工鍛壓開坯)一直是GH742合金的生產難點，嚴重影響了我國航空發動機渦輪盤材料的國產化(目前國內尚沒有其大錠成功鍛造開坯，模鍛使用的報導)。
發明內容
本發明開發一種GH742合金大鋼錠的保溫鍛造開坯方法，其特點是利用特定的粘結劑將特定的非金屬保溫材料包裹在合金鑄錠的表面(減少了鑄錠出爐轉移及鍛造過程由於對流、輻射及傳導等作用產生的熱量損失)，大大減緩了合金鑄錠(鋼錠)的溫降速度，不僅可增加熱加工鍛造開坯成型的塑性變形時間，也使一火鍛造的鋼錠變形量滿足大於50％的技術要求，達到GH742合金鑄錠保溫鍛造的目的。成功開發了GH742高溫合金大鍛件的市場。
本發明提供的GH742合金大鋼錠的保溫鍛造開坯方法，其特徵在於第一，選擇特定的粘結劑和特定的非金屬保溫材料，用於GH742合金大鋼錠的保溫包覆；第二，利用特定的粘結劑，將特定的非金屬保溫材料粘結、包裹在低溫加熱(加熱溫度應使高溫粘結劑具有良好的可粘貼性)後的合金鑄錠(合金鑄錠是真空感應爐冶煉並自耗重熔的合金鑄錠)表面；第三，將包裹非金屬保溫材料的合金鑄錠放入加熱爐內，高溫加熱(常規的鋼錠加熱溫度)；高溫加熱後，合金鑄錠出爐轉移至鍛壓機；第四，連同非金屬保溫材料的合金鑄錠，在鍛壓機上進行熱加工鍛造開坯；最後，對開坯成型的合金坯料，按常規工藝要求，車光、探傷、組織性能測試。
第一，選擇特定的粘結劑和特定的非金屬保溫材料特定的粘結劑是高溫粘結劑，可採用800℃(以上軟化點溫度的市售玻璃粉(當其加熱到800℃以上時，已高於其軟化點，高溫粘結劑變成熔融狀態，具有良好的粘貼作用)；非金屬保溫材料是保溫石棉，可採用矽酸鋁纖維的市售保溫石棉毯(其在高溫下具有良好保溫效果，不會發生粉化現象)，矽酸鋁纖維是以Al2O3和SiO2為主要成分的人造無機纖維，耐高溫，容重低，同時其在高溫條件下的纖維彈性好。
第二，利用特定的粘結劑，將特定的非金屬保溫材料粘結、包裹在低溫加熱後的合金鑄錠表面先將玻璃粉(特定的粘結劑)灑在保溫石棉毯(特定的非金屬保溫材料)上，使保溫石棉呈棉絮狀；真空感應爐冶煉並自耗重熔的合金鑄錠(鋼錠)，經800～1000℃溫度的低溫加熱(加熱溫度應使高溫粘結劑具有良好的可粘貼性)後，出加熱爐；出料車將圓柱體鋼錠放在灑有玻璃粉的保溫石棉毯上；將塗有玻璃粉高溫粘結劑的保溫石棉毯粘貼、包裹在800～1000℃的鋼錠圓柱面表面(這時由於保溫石棉毯上的玻璃粉遇熱熔化，也就是在高溫下完全軟化，成熔融狀態後良好的粘貼性能，將保溫石棉毯粘貼在加熱到一定溫度的鋼錠表面)；將表面粘貼、包裹保溫石棉毯的鋼錠繼續入爐加熱。
第三，將包裹非金屬保溫材料的合金鑄錠放入加熱爐內，進行高溫加熱，鋼錠加熱溫度1160～1180℃(常規工藝進行)，保溫時間5～6小時(常規保溫時間3～4小時)；高溫加熱後，合金鑄錠出爐轉移至鍛壓機鍛造(由於保溫石棉重量輕，補熔融的玻璃粉粘貼在鋼錠表面後，不會因為重力作用，在鋼錠或坯料的出爐、轉移過程中出現脫落現象，鋼錠在轉移過程中表面溫降小於20℃，比常規鋼錠轉移鋼錠溫降少50～70℃)；第四，將包裹保溫石棉毯的合金鑄錠，在鍛壓機上進行熱加工鍛造開坯在1050～1120℃的溫度區間(由於保溫材料的作用，減少了鋼錠與壓機錘頭接觸而導致的熱量損失，鋼錠在鍛造過程中的溫降緩慢，使鋼錠長時間停留在高塑性區的溫度區間1050～1120℃；同時，由於熔融玻璃粉的粘結作用，鍛造過程中被壓緊、壓實的保溫石棉毯緊緊的貼在鋼錠表面，不會隨著鋼錠變形而脫落)，鋼錠表面溫降緩慢，鍛造時間達5min以上(原來僅2.5min左右)，壓機多次往復進行鍛造，每次壓下量保持在25～35mm，一火變形量大於50％，使鑄錠的鑄態組織得到良好的破碎，其夾雜物也由原來的骨架狀(圖2)，破碎成顆粒狀(圖1)，得到組織性能良好的鍛坯。
第五，對開坯成型的合金坯料，按常規工藝要求，車光、探傷、組織性能測試。
和現有技術相比，本發明具有下列優點1.利用保溫石棉毯導熱係數小，保溫效果好，容重低，重量輕的優點，同時利用玻璃粉在高溫下完全軟化，成熔融狀態後良好的粘貼性能，將二者優點結合起來達到800～1000℃的熱鋼錠保溫的目的；2.裝備通用性強，成本低；3.熱加工開坯工藝，可操作性強；4.一火鍛造開坯的變形量大，合金質量高；5.生產效率高，可批量開坯生產大錠型GH742難變形高溫合金。
圖1是實施本發明鍛造開坯的GH742合金鍛坯組織顆粒狀夾雜物圖2是用於本發明鍛造開坯成型的GH742合金鑄錠組織骨架狀夾雜物圖3是GH742合金熱加工拉伸塑性圖具體實施方案某鋼鐵公司實施本發明專利，將多爐GH742高溫合金的真空自耗重熔鑄錠(鑄錠尺寸φ165～φ600，以φ508mm為例)在鍛壓機(4000噸、液壓)上進行熱加工鍛造開坯，鍛制出成品規格的合金坯料(成品規格φ360mm、φ200mm、φ130mm，以φ360mm為例)第一，選擇特定的粘結劑和特定的非金屬保溫材料，用於GH742合金大鋼錠的保溫包覆；特定的粘結劑是高溫粘結劑，可採用800℃以上軟化點溫度的市售玻璃粉，非金屬保溫材料是保溫石棉，可採用矽酸鋁纖維的市售保溫石棉毯；第二，利用特定的粘結劑，將特定的非金屬保溫材料粘結、包裹在低溫加熱後的合金鑄錠表面；先將玻璃粉(特定的粘結劑)灑在保溫石棉毯(特定的非金屬保溫材料)上，使保溫石棉呈棉絮狀；真空感應爐冶煉並自耗重熔的合金鑄錠(鋼錠)，經800～1000℃溫度的低溫加熱後，出加熱爐；出料車將圓柱體鋼錠放在灑有玻璃粉的保溫石棉毯上；將塗有玻璃粉高溫粘結劑的保溫石棉毯粘貼、包裹在800～1000℃的鋼錠圓柱面表面；將表面粘貼、包裹保溫石棉毯的鋼錠繼續入爐加熱；第三，將包裹非金屬保溫材料的合金鑄錠放入加熱爐內，進行高溫加熱，鋼錠加熱溫度1160～1180℃，保溫時間5～6小時；高溫加熱後，合金鑄錠出爐轉移至鍛壓機，鋼錠在轉移過程中表面溫降小於20℃；第四，連同非金屬保溫材料的合金鑄錠，在鍛壓機上進行熱加工鍛造開坯在1050～1120℃的溫度區間，鋼錠表面溫降緩慢，鍛造時間達5min以上，壓機多次往復進行鍛造，每次壓下量保持在30～35mm，一火變形量大於55％，使鑄錠的鑄態組織得到良好的破碎，得到組織性能良好的鍛坯；最後，對開坯成型的合金坯料，按常規工藝要求，車光、探傷、組織性能測試。
實施本發明，進行GH742合金大鋼錠的保溫鍛造開坯，具有熱加工工藝合理、生產組織方便、現場可操作性強、裝備通用性強的特點，有效解決了大錠型(＞φ350mm)GH742合金無法熱加工開坯成型的技術難題，生產的合金坯料一火鍛造開坯的變形量大，產品質量高(組織性能各項指標一次合格率均為100％)，生產效率高，經濟效益和社會效益(是國內GH742合金生產的重大技術突破)顯著。
權利要求
1.GH742合金大鋼錠的保溫鍛造開坯方法，其特徵在於第一，選擇特定的粘結劑和特定的非金屬保溫材料，用於GH742合金大鋼錠的保溫包覆；第二，利用特定的粘結劑，將特定的非金屬保溫材料粘結、包裹在低溫加熱後的合金鑄錠表面；第三，將包裹非金屬保溫材料的合金鑄錠放入加熱爐內，高溫常規加熱；高溫加熱後，合金鑄錠出爐轉移至鍛壓機；第四，連同非金屬保溫材料的合金鑄錠，在鍛壓機上進行熱加工鍛造開坯；最後，對開坯成型的合金坯料，性能測試；第一，選擇特定的粘結劑和特定的非金屬保溫材料特定的粘結劑是高溫粘結劑，可採用800℃以上軟化點溫度的市售玻璃粉；非金屬保溫材料是保溫石棉，可採用矽酸鋁纖維的市售保溫石棉毯，矽酸鋁纖維是以Al2O3和SiO2為主要成分的人造無機纖維，耐高溫，容重低，同時其在高溫條件下的纖維彈性好；第二，利用特定的粘結劑，將特定的非金屬保溫材料粘結、包裹在低溫加熱後的合金鑄錠表面先將玻璃粉灑在保溫石棉毯上，使保溫石棉呈棉絮狀；真空感應爐冶煉並自耗重熔的合金鑄錠，經800～1000℃溫度的低溫加熱後，出加熱爐；出料車將圓柱體鋼錠放在灑有玻璃粉的保溫石棉毯上；將塗有玻璃粉高溫粘結劑的保溫石棉毯粘貼、包裹在800～1000℃的鋼錠圓柱面表面；將表面粘貼、包裹保溫石棉毯的合金鑄錠繼續入爐加熱；第三，將包裹非金屬保溫材料的合金鑄錠放入加熱爐內，進行高溫加熱，鋼錠加熱溫度是常規工藝的1160～1180℃，保溫時間5～6小時；高溫加熱後，合金鑄錠出爐轉移至鍛壓機鍛造；第四，將包裹保溫石棉毯的合金鑄錠，在鍛壓機上進行熱加工鍛造開坯在1050～1120℃的溫度區間，鋼錠表面溫降緩慢，鍛造時間達5min以上，壓機多次往復進行鍛造，每次壓下量保持在25～35mm，一火變形量大於50％，使鑄錠的鑄態組織得到良好的破碎，其夾雜物也由原來的骨架狀破碎成顆粒狀，得到組織性能良好的鍛坯；第五，對開坯成型的合金坯料，按常規工藝要求，車光、探傷、組織性能測試。
全文摘要
GH742合金大鋼錠的保溫鍛造開坯方法，其特徵是(1)高溫粘結劑是800℃以上軟化點的市售玻璃粉，保溫材料是矽酸鋁纖維的市售保溫石棉毯；(2)鋼錠包覆保溫時，先將玻璃粉灑在保溫石棉毯上，呈棉絮狀保溫棉；經900℃低溫加熱的鋼錠出爐後，將棉絮狀保溫棉直接包裹在鋼錠表面；(3)常規高溫加熱溫度，保溫5～6小時；(4)高溫加熱後的鋼錠(連同棉絮狀保溫棉)開坯鍛造時間≥5min，壓下量30mm，一火變形量≥50％；(5)開坯成型的合金坯料性能測試。本發明生產組織方便、可操作性強，有效解決了大錠型(＞φ350mm)GH742合金無法熱加工開坯成型的難題，生產的合金坯料變形量大，產品質量優，生產效率高，成本低，經濟效益和社會效益顯著。
文檔編號B21J1/06GK1683097SQ20051002420
公開日2005年10月19日 申請日期2005年3月4日 優先權日2005年3月4日
發明者王林濤, 周奠華, 謝偉, 王世普 申請人:寶鋼集團上海五鋼有限公司