專利名稱：Gh742合金大鋼錠的保溫鍛造開坯方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冶金行業(yè)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(shù)：
高溫合金是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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?xì)飧g條件下，承受較大應(yīng)力并長期使用。由于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(duì)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，熱加工溫度范圍狹窄，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，熱加工溫度范圍狹窄，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(nèi)外難變形高溫合金的熱加工開坯方法有三種擠壓機(jī)開坯、鍛壓機(jī)鍛造、熱軋機(jī)包套軋制。擠壓機(jī)開坯，使鋼錠處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，可以充分發(fā)揮合金在變形溫度下的塑性，熱加工開坯相對(duì)容易，但需要大噸位快速擠壓機(jī)設(shè)備(8000噸以上)，而國內(nèi)尚無此種擠壓設(shè)備，故該方法常見于國外鋼廠；熱軋機(jī)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(shí)間)內(nèi)一起加熱，然后利用熱軋機(jī)將鋼錠、金屬管熱加工軋制開坯，但由于難變形高溫合金的變形抗力很大，熱加工軋制時(shí)，大鋼錠(鋼錠直徑＞350mm)容易損壞軋鋼機(jī)設(shè)備，故該方法僅適用于小鋼錠(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(nèi)鋼鐵公司只能采用鍛壓機(jī)鍛造的開坯方法(鋼錠處于單向壓應(yīng)力、兩向拉應(yīng)力的狀態(tài))。
主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(渦輪盤是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件，型狀復(fù)雜，受力大，使用溫度高，工作條件惡劣，因此對(duì)材料要求很高，要求材料具有足夠的熱強(qiáng)性，良好的綜合性能和盡可能高的高溫抗氧化能力)、壓氣機(jī)盤、軸、緊固件和其它零部件(特別是高性能飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和中遠(yuǎn)程巡航導(dǎo)彈動(dòng)力裝置中的關(guān)鍵堆部件)的GH742高溫合金，是一種高合金化的現(xiàn)代渦輪盤材料，屬于公認(rèn)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(shí)效強(qiáng)化元素Al、Ti、Nb之和大于7.8％，固溶強(qiáng)化元素Mo含量較高，并采用Co和La補(bǔ)充強(qiáng)化；合金組織中形成復(fù)雜的Ni-Cr-Co固溶體，和高達(dá)35％的Ni3Ti、Ni3Al、Ni3Nb型γ′強(qiáng)化相)，因而具有很高的熱強(qiáng)性和良好的綜合性能，但熱加工塑性性能較差，熱加工溫度范圍狹窄(一方面，當(dāng)合金溫度≤1120℃時(shí)，隨著溫度的升高，變形抗力急劇下降，當(dāng)合金溫度≥1120℃時(shí)，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，并在1140℃左右達(dá)到最大值115％，然后隨溫度的升高合金的塑性急劇下降，當(dāng)溫度低于1050℃時(shí)合金己無法進(jìn)行熱加工變形，故合金的最佳變形溫度是1050～1140℃，范圍只有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(guī)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(dāng)困難。鍛壓開坯時(shí)，若不采取必要的保溫措施，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(shí)，才能有效破碎鋼錠的鑄態(tài)組織。而生產(chǎn)實(shí)踐中，若不采取相當(dāng)?shù)谋卮胧?，則鋼錠初鍛的實(shí)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(kuò)展速率較快，無法進(jìn)行大變形鍛造，只能采用多火次、小變形量的鍛造生產(chǎn)，造成鋼錠的鑄態(tài)組織不能得到有效的破碎。)。
目前，用于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(shù)，也就是鍛壓機(jī)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(shí)間)內(nèi)一起加熱，然后利用鍛壓機(jī)，多火次(鍛造變形時(shí)，對(duì)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(shí)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(zhǔn)備尺寸不同的純鐵管包套，對(duì)鋼錠(或鍛坯)進(jìn)行包套處理，工藝復(fù)雜，生產(chǎn)時(shí)間較長，成本較高，且合金坯的形狀也受到限制(相對(duì)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(鋼錠直徑大于350mm)的熱加工開坯(就國內(nèi)技術(shù)裝備條件而言，就是熱加工鍛壓開坯)一直是GH742合金的生產(chǎn)難點(diǎn)，嚴(yán)重影響了我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤材料的國產(chǎn)化(目前國內(nèi)尚沒有其大錠成功鍛造開坯，模鍛使用的報(bào)道)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明開發(fā)一種GH742合金大鋼錠的保溫鍛造開坯方法，其特點(diǎn)是利用特定的粘結(jié)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(zhuǎn)移及鍛造過程由于對(duì)流、輻射及傳導(dǎo)等作用產(chǎn)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(shí)間，也使一火鍛造的鋼錠變形量滿足大于50％的技術(shù)要求，達(dá)到GH742合金鑄錠保溫鍛造的目的。成功開發(fā)了GH742高溫合金大鍛件的市場。
本發(fā)明提供的GH742合金大鋼錠的保溫鍛造開坯方法，其特征在于第一，選擇特定的粘結(jié)劑和特定的非金屬保溫材料，用于GH742合金大鋼錠的保溫包覆；第二，利用特定的粘結(jié)劑，將特定的非金屬保溫材料粘結(jié)、包裹在低溫加熱(加熱溫度應(yīng)使高溫粘結(jié)劑具有良好的可粘貼性)后的合金鑄錠(合金鑄錠是真空感應(yīng)爐冶煉并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(nèi)，高溫加熱(常規(guī)的鋼錠加熱溫度)；高溫加熱后，合金鑄錠出爐轉(zhuǎn)移至鍛壓機(jī)；第四，連同非金屬保溫材料的合金鑄錠，在鍛壓機(jī)上進(jìn)行熱加工鍛造開坯；最后，對(duì)開坯成型的合金坯料，按常規(guī)工藝要求，車光、探傷、組織性能測試。
第一，選擇特定的粘結(jié)劑和特定的非金屬保溫材料特定的粘結(jié)劑是高溫粘結(jié)劑，可采用800℃(以上軟化點(diǎn)溫度的市售玻璃粉(當(dāng)其加熱到800℃以上時(shí)，已高于其軟化點(diǎn)，高溫粘結(jié)劑變成熔融狀態(tài)，具有良好的粘貼作用)；非金屬保溫材料是保溫石棉，可采用硅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(huì)發(fā)生粉化現(xiàn)象)，硅酸鋁纖維是以Al2O3和SiO2為主要成分的人造無機(jī)纖維，耐高溫，容重低，同時(shí)其在高溫條件下的纖維彈性好。
第二，利用特定的粘結(jié)劑，將特定的非金屬保溫材料粘結(jié)、包裹在低溫加熱后的合金鑄錠表面先將玻璃粉(特定的粘結(jié)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(yīng)爐冶煉并自耗重熔的合金鑄錠(鋼錠)，經(jīng)800～1000℃溫度的低溫加熱(加熱溫度應(yīng)使高溫粘結(jié)劑具有良好的可粘貼性)后，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；將涂有玻璃粉高溫粘結(jié)劑的保溫石棉毯粘貼、包裹在800～1000℃的鋼錠圓柱面表面(這時(shí)由于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(tài)后良好的粘貼性能，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(xù)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(nèi)，進(jìn)行高溫加熱，鋼錠加熱溫度1160～1180℃(常規(guī)工藝進(jìn)行)，保溫時(shí)間5～6小時(shí)(常規(guī)保溫時(shí)間3～4小時(shí))；高溫加熱后，合金鑄錠出爐轉(zhuǎn)移至鍛壓機(jī)鍛造(由于保溫石棉重量輕，補(bǔ)熔融的玻璃粉粘貼在鋼錠表面后，不會(huì)因?yàn)橹亓ψ饔?，在鋼錠或坯料的出爐、轉(zhuǎn)移過程中出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，鋼錠在轉(zhuǎn)移過程中表面溫降小于20℃，比常規(guī)鋼錠轉(zhuǎn)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(jī)上進(jìn)行熱加工鍛造開坯在1050～1120℃的溫度區(qū)間(由于保溫材料的作用，減少了鋼錠與壓機(jī)錘頭接觸而導(dǎo)致的熱量損失，鋼錠在鍛造過程中的溫降緩慢，使鋼錠長時(shí)間停留在高塑性區(qū)的溫度區(qū)間1050～1120℃；同時(shí)，由于熔融玻璃粉的粘結(jié)作用，鍛造過程中被壓緊、壓實(shí)的保溫石棉毯緊緊的貼在鋼錠表面，不會(huì)隨著鋼錠變形而脫落)，鋼錠表面溫降緩慢，鍛造時(shí)間達(dá)5min以上(原來僅2.5min左右)，壓機(jī)多次往復(fù)進(jìn)行鍛造，每次壓下量保持在25～35mm，一火變形量大于50％，使鑄錠的鑄態(tài)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(duì)開坯成型的合金坯料，按常規(guī)工藝要求，車光、探傷、組織性能測試。
和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)1.利用保溫石棉毯導(dǎo)熱系數(shù)小，保溫效果好，容重低，重量輕的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)利用玻璃粉在高溫下完全軟化，成熔融狀態(tài)后良好的粘貼性能，將二者優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來達(dá)到800～1000℃的熱鋼錠保溫的目的；2.裝備通用性強(qiáng)，成本低；3.熱加工開坯工藝，可操作性強(qiáng)；4.一火鍛造開坯的變形量大，合金質(zhì)量高；5.生產(chǎn)效率高，可批量開坯生產(chǎn)大錠型GH742難變形高溫合金。


圖1是實(shí)施本發(fā)明鍛造開坯的GH742合金鍛坯組織顆粒狀?yuàn)A雜物圖2是用于本發(fā)明鍛造開坯成型的GH742合金鑄錠組織骨架狀?yuàn)A雜物圖3是GH742合金熱加工拉伸塑性圖具體實(shí)施方案某鋼鐵公司實(shí)施本發(fā)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(jī)(4000噸、液壓)上進(jìn)行熱加工鍛造開坯，鍛制出成品規(guī)格的合金坯料(成品規(guī)格φ360mm、φ200mm、φ130mm，以φ360mm為例)第一，選擇特定的粘結(jié)劑和特定的非金屬保溫材料，用于GH742合金大鋼錠的保溫包覆；特定的粘結(jié)劑是高溫粘結(jié)劑，可采用800℃以上軟化點(diǎn)溫度的市售玻璃粉，非金屬保溫材料是保溫石棉，可采用硅酸鋁纖維的市售保溫石棉毯；第二，利用特定的粘結(jié)劑，將特定的非金屬保溫材料粘結(jié)、包裹在低溫加熱后的合金鑄錠表面；先將玻璃粉(特定的粘結(jié)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(yīng)爐冶煉并自耗重熔的合金鑄錠(鋼錠)，經(jīng)800～1000℃溫度的低溫加熱后，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；將涂有玻璃粉高溫粘結(jié)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(xù)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(nèi)，進(jìn)行高溫加熱，鋼錠加熱溫度1160～1180℃，保溫時(shí)間5～6小時(shí)；高溫加熱后，合金鑄錠出爐轉(zhuǎn)移至鍛壓機(jī)，鋼錠在轉(zhuǎn)移過程中表面溫降小于20℃；第四，連同非金屬保溫材料的合金鑄錠，在鍛壓機(jī)上進(jìn)行熱加工鍛造開坯在1050～1120℃的溫度區(qū)間，鋼錠表面溫降緩慢，鍛造時(shí)間達(dá)5min以上，壓機(jī)多次往復(fù)進(jìn)行鍛造，每次壓下量保持在30～35mm，一火變形量大于55％，使鑄錠的鑄態(tài)組織得到良好的破碎，得到組織性能良好的鍛坯；最后，對(duì)開坯成型的合金坯料，按常規(guī)工藝要求，車光、探傷、組織性能測試。
實(shí)施本發(fā)明，進(jìn)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(chǎn)組織方便、現(xiàn)場可操作性強(qiáng)、裝備通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，有效解決了大錠型(＞φ350mm)GH742合金無法熱加工開坯成型的技術(shù)難題，生產(chǎn)的合金坯料一火鍛造開坯的變形量大，產(chǎn)品質(zhì)量高(組織性能各項(xiàng)指標(biāo)一次合格率均為100％)，生產(chǎn)效率高，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益(是國內(nèi)GH742合金生產(chǎn)的重大技術(shù)突破)顯著。
權(quán)利要求
1.GH742合金大鋼錠的保溫鍛造開坯方法，其特征在于第一，選擇特定的粘結(jié)劑和特定的非金屬保溫材料，用于GH742合金大鋼錠的保溫包覆；第二，利用特定的粘結(jié)劑，將特定的非金屬保溫材料粘結(jié)、包裹在低溫加熱后的合金鑄錠表面；第三，將包裹非金屬保溫材料的合金鑄錠放入加熱爐內(nèi)，高溫常規(guī)加熱；高溫加熱后，合金鑄錠出爐轉(zhuǎn)移至鍛壓機(jī)；第四，連同非金屬保溫材料的合金鑄錠，在鍛壓機(jī)上進(jìn)行熱加工鍛造開坯；最后，對(duì)開坯成型的合金坯料，性能測試；第一，選擇特定的粘結(jié)劑和特定的非金屬保溫材料特定的粘結(jié)劑是高溫粘結(jié)劑，可采用800℃以上軟化點(diǎn)溫度的市售玻璃粉；非金屬保溫材料是保溫石棉，可采用硅酸鋁纖維的市售保溫石棉毯，硅酸鋁纖維是以Al2O3和SiO2為主要成分的人造無機(jī)纖維，耐高溫，容重低，同時(shí)其在高溫條件下的纖維彈性好；第二，利用特定的粘結(jié)劑，將特定的非金屬保溫材料粘結(jié)、包裹在低溫加熱后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(yīng)爐冶煉并自耗重熔的合金鑄錠，經(jīng)800～1000℃溫度的低溫加熱后，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；將涂有玻璃粉高溫粘結(jié)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(xù)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(nèi)，進(jìn)行高溫加熱，鋼錠加熱溫度是常規(guī)工藝的1160～1180℃，保溫時(shí)間5～6小時(shí)；高溫加熱后，合金鑄錠出爐轉(zhuǎn)移至鍛壓機(jī)鍛造；第四，將包裹保溫石棉毯的合金鑄錠，在鍛壓機(jī)上進(jìn)行熱加工鍛造開坯在1050～1120℃的溫度區(qū)間，鋼錠表面溫降緩慢，鍛造時(shí)間達(dá)5min以上，壓機(jī)多次往復(fù)進(jìn)行鍛造，每次壓下量保持在25～35mm，一火變形量大于50％，使鑄錠的鑄態(tài)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(duì)開坯成型的合金坯料，按常規(guī)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，其特征是(1)高溫粘結(jié)劑是800℃以上軟化點(diǎn)的市售玻璃粉，保溫材料是硅酸鋁纖維的市售保溫石棉毯；(2)鋼錠包覆保溫時(shí)，先將玻璃粉灑在保溫石棉毯上，呈棉絮狀保溫棉；經(jīng)900℃低溫加熱的鋼錠出爐后，將棉絮狀保溫棉直接包裹在鋼錠表面；(3)常規(guī)高溫加熱溫度，保溫5～6小時(shí)；(4)高溫加熱后的鋼錠(連同棉絮狀保溫棉)開坯鍛造時(shí)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(fā)明生產(chǎn)組織方便、可操作性強(qiáng)，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(chǎn)的合金坯料變形量大，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)，生產(chǎn)效率高，成本低，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。
文檔編號(hào)B21J1/06GK1683097SQ20051002420
公開日2005年10月19日 申請(qǐng)日期2005年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月4日
發(fā)明者王林濤, 周奠華, 謝偉, 王世普 申請(qǐng)人:寶鋼集團(tuán)上海五鋼有限公司