现代材料加工方法.ppt
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1、第9章 金属等温成形 9.1 概 述 热变形的目的是降低材料的变形抗力、提高塑性,有利于成形过程的稳定进行。传统的热变形方法通常是将坯料从加热炉内移至冷模或预热的模具中进行的。在多数情况下,热变形时的模具预热温度远低于坯料温度,在成形过程中,由于坯料与模具之间的温差较大,会使坯料温度急剧降低,导致材料变形抗力增加、塑性降低。尤其是对于小型制品或表面积与体积比很大的带窄筋、薄腹板的制品,薄壁处温度的降低非常快。,在成形过程中,坯料温度的降低会引起材料塑性流动能力降低、变形抗力提高,不仅使设备功率增加,增加成本,降低模具的使用寿命,而且由于材料变形温度的降低,会在坯料中产生不均匀的温度场,形成难变
2、形区或局部变形区,从而引起材料组织与性能的不均匀。虽然通过将坯料加热到实际变形温度以上,或经过多火次成形,可以适当解决坯料在变形过程中温度降低的问题,但是,这样不仅浪费能源,增加坯料的加热时间,引起金属组织粗大,塑性和强度降低,并且制品表面氧化层、脱碳层或缺陷层加厚,需要加大加工余量。不仅使材料利用率降低,而且增加了机械加工的难度,增加了产品的制造成本,这一点对于稀有贵金属材料表现得更为突出。,在另外一些情况下,例如铝及铝合金的热挤压,由于被加工材料的变形温度较低,在高速挤压条件下,容易与挤压工模具形成一个绝热系统,因变形热效应而导致变形过程中坯料的温度上升,不仅引起制品断而上组织与性能的不均
3、匀,甚至产生制品过热、扭曲、裂纹等缺陷。因此,精确地控制变形过程中坯料温度的变化,对于获得形状与尺寸精确、组织性能均匀的制品具有十分重要的意义。等温成形方法是通过模具和坯料在变形过程中保持同一温度来实现的,从而避免了坯料在变形过程中温度降低和表面激冷的问题。,等温成形与超塑性成形是不同的。典型的微细晶粒超塑性的实现有赖于晶粒细化、适当的变形温度和低应变速率三个基本条件,其中材料的初始内部组织是诱发超塑性,并使之成为持续进行的主要条件之一。超塑性状态一般只能在一个很窄的温度、速度范围内实现。等温成形的概念比超塑性成形要广泛得多,等温成形可以在很宽的温度、速度范围内以及坯料的任意原始组织条件下进行
4、。当然等温成形在降低材料变形抗力、提高材料塑性的效果方面不如超塑性成形那样显著。,9.2 等温成形的特点及适用范围1.等温成形的特点 等温成形由于克服了常规热变形过程中坯料温度变化的问题,因此具有如下一些特点。降低材料的变形抗力 在等温成形过程时,由于坯料与模具的温度基本一致,因此坯料的变形温度不会降低,在变形速度较低的情况下,材料软化过程进行得比较充分,使材料的变形抗力降低。此外,也可以使用具有一系列优良的工艺和使用性能的玻璃润滑剂,进一步降低变形力,可选用占用空间小,节约能源的低功率设备。,提高材料的塑性流动能力 等温成形的突出特点之一是可提高材料的塑性流动能力。由于等温成形时坯料温度不会
5、降低,而且变形速度是比较低的,从而延长了材料的变形时间,可使材料的软化过程充分进行,提高材料的塑性流动能力,并使缺陷得到愈合。这就使形状复杂、具有窄筋、薄腹制品的成形成为可能,也为成形低塑性的难变形材料提供了有效的手段。成形件尺寸精度高、表面质量好、组织均匀、性能优良 等温成形时,由于坯料变形温度基本保持恒定,可以使材料在较低的变形温度下进行成形加工,而且可以采用一火次成形。,等温成形时的坯料加热温度比常规热变形低100400,加热时间缩短23l2,从而减少了氧化、脱碳等缺陷,提高了产品的表面质量。由于坯料内温度分布比较均匀,在良好的润滑条件下,可使坯料的变形均匀,因而产品组织比较均匀,可以得
6、到最佳的使用性能。由于材料变形抗力低,变形温度波动小,从而减少了模具的弹性变形,有利于制品几何尺寸的稳定与控制。当采用较低的变形速度进行成形时,由于材料的软化过程比较充分,故成形件内部残余应力小,从而使成形件在冷却以及热处理过程中的变形减小,提高了制品的尺寸精度。,模具使用寿命长 虽然等温成形,尤其是等温模锻时所用模具材料及加工费用较高,加工精度的要求也较高,但是在等温成形过程中,由于模具是在准静载荷、低压力、无交变热应力条件下进行工作的,并且可以使用一系列具有优良的工艺和使用性能的润滑剂,因此模具的使用寿命比常规热变形模具高。等温成形零件通常采用一道工序进行成形,只需要一套模具,而常规热变形
7、一般需要多道工序,需要多套模具。因此,总体来说,采用等温成形可提高模具使用寿命,降低模具成本。,材料利用率高 等温成形可以通过减少加工余量、提高产品尺寸精度来减少金属消耗。例如,生产同一涡轮发动机零件,等温锻造所用的原料只有常规热模锻的l3左右。,2.等温成形的适用范围 根据等温成形的特点以及常规热变形的不足,等温成形的适用范围主要包括以下几个方面。低塑性材料的成形 采用等温成形方法,可以成形用常规变形方法不能加工的低塑性、难变形材料。例如钛合金、耐热合金以及许多高合金钢,其变形温度范围比较窄,采用等温条件下的变形显得非常重要。采用等温成形方法,在变形温度为900,应变速率为5103s的无润滑
8、的条件下,可将钴铬钨钼合金单向压缩至60,坯料未产生裂纹;在变形温度为900,应变速率为2102s的条件下,可将灰口铸铁单向压缩至53,坯料未产生裂纹。,目前,等温成形工艺已广泛地应用到合金钢、钛合金、铝合金、金属间化合物、复合材料以及粉末材料的成形加工方面。随着材料科学的发展,等温成形工艺将在新型、难变形材料制备与加工方面发挥重要的作用。优质或贵重材料的成形 随着宇航工业的发展,对结构材料的要求也越来越高。为了提高飞行器以及各种现代控制器件的功能,需要采用优质或贵重的材料,例如钛及钛合金、铜及铜合金,以及高温合金、复合材料等。采用常规热变形方法成形这些优质或贵重的材料,通常需要加大加工余量,
9、使材料成本和机械加工成本大为提高,造成不必要的浪费。,例如某些飞机用钛合金零件,由于形状复杂,对产品质量的要求非常高,材料的利用率仅为515左右,大部分材料均因机械加工而成为废屑。同时由于钛合金的机械加工难度较大,机械加工费用和工具费用比其他材料高出510倍。而采用等温成形工艺,可以成形小拔模斜度或无拔模斜度的锻件,以及有明显阶梯截面、过渡半径较小的锻件,大大减小加工余量,节约材料,降低成本。例如,采用等温成形方法制造的带叶片的盘形件,成形后不需要进行切削加工,与常规热变形方法相比,节约材料50以上。,形状复杂的高精度零件的成形 采用等温成形方法,可以成形具有高窄筋、薄腹板以及形状复杂的高尺寸
10、精度的结构零件,而这些零件采用常规的塑性加工方法进行成形往往是非常困难的,甚至是不可能的。等温成形技术使以往以机械加工为主要制造方法的铆接与螺钉紧固的组合件,被大型整体结构件所代替提供了可能性,为降低威本、减轻构件重量提供了有效的手段,对航空、航天器的设计与制造产生巨大的影响。,采用低压力成形大型结构零件 等温条件可以扩大材料成形的工艺参数范围,例如通过降低应变速率,可以使材料在较低的变形温度下具有较高的塑性,降低成形压力。例如,在缺少所需要的大功率设备时,降低应变速率,利用坯料在模具中的保压,可以实现大型结构零件的成形。,研究材料的塑性变形规律 对于常规热变形来说,由于在变形过程中,变形温度
11、是不断变化的,物理模拟试验与实际加工过程存在较大的差异。等温成形是塑性成形的一种特殊情况,等温物理模拟试验与实际等温成形时的条件相差较小,物理模拟试验的结果可以有效地指导实际等温成形工艺的设计,并且可以研究材料在特殊条件下的塑性变形规律。,9.3 等温成形的发展概况 由于常规热变形工艺中存在着因变形过程中坯料温度降低而产生的一系列影响产品质量的问题,使其发展和应用受到某种程度的限制。解决坯料在变形过程中温度降低的问题大致有两种方法,即坯料保温和提高模具的预热温度。坯料保温 坯料保温方法很多,如可将成形件待变形一端用绝热材料包覆起来,以减慢其冷却速度。这种方法对于大型长轴类合金钢的自由锻造是比较
12、有效的,采用该方法可以使金属的冷却速度降低6622。,坯料在变形过程中的保温,还可以采用在坯料表面涂敷玻璃、石墨等保温润滑层的方法。例如,在挤压高温合金时,将加热到7001050的钢垫,或加热到1500的石墨垫放到挤压坯料上,由此可以补偿挤压坯料损耗的热量,并且可以起到降低挤压力的目的。利用变形的热效应也可以维持变形区的相对温度不变。该方法是在挤压型材时,通过自动调整变形速度,使金属的变形温度在挤压模口保持不变,这样可以使整个挤压件长度方向上的性能均匀。但是,它无法解决金属挤压坯料与冷模接触时的降温以及压力的目的。,为了解决坯料变形的均匀性问题,可以采用使坯料各部位加热温度不均匀的方法。该方法
13、是使坯料的中心温度低于边部温度,从而在成形过程中使坯料中心与边部的变形趋于一致,达到使坯料变形均匀的目的。采用该方法需要采用合理的加热方式,并且需要控制加热温度、加热速度以及加热时间等工艺参数。利用坯料保温方法,虽然在某种程度上解决了坯料温度降低的问题,但是,在保持坯料温度、变形的均匀性以及变形过程的控制方面尚未取得实质性的进展,不能获得最佳的变形条件。尤其是对于复杂零件的成形,坯料的保温是非常困难的,甚至是不可能的。,提高模具的预热温度 提高模具的预热温度,使模具温度接近或等于坯料的变形温度,并且在整个变形过程中始终保持这一温度,这就是等温成形工艺。考虑到模具的耐热性问题,等温成形工艺首先在
14、那些热变形温度比较低的金属或合金的成形中得到应用,例如铝及铝合金、镁及镁合金、锌及锌合金等零件。金属等温成形工艺的研究是从20世纪60年代开始的。前苏联提出了一种金属热变形方法,是将坯料直接放入高温熔融盐、熔融玻璃或熔融金属内进行模锻,这是等温成形的雏形。但是这种方法由于熔融盐实际应用时所存在的问题而没有得到推广应用。,1962年,美国伊利工艺研究所首先采用耐高温合金制造模具,模具预热温度为870,钢坯加热温度为l200,在模锻过程中发现金属流入窄而深的模腔内的量得到明显增加,从而引起世界各国对等温成形工艺的普遍重视。高温模具材料的发展,极大地推动了等温成形工艺的发展。1968年至1971年间
15、,前苏联先后公布了钛及钛合金叶片等温锻造的发明专利和等温成形设备的发明专利。1972年美国也发表了相似的专利。前苏联敖德萨水压机制造厂制造的2.5、6.3、16MN的等温锻造专用设备,为等温锻造工艺的实际应用提供了条件。,目前采用高温等温成形工艺方法可以制造各种形状复杂、尺寸精度高的合金钢、钛合金、高温合金以及复合材料和粉末零件。我国对金属等温成形工艺的研究也得到了迅速的发展,并已进入实用化阶段,如铝合金叶片的等温模锻,可以使锻出的叶片最薄处只有0.8mm,只需经过打磨即可交付使用。目前我国采用等温模锻方法制造出了钛合金整体涡轮及薄壁的铝合金、镁合金舵翼、锌合金槽筒等。,从理论上讲,等温成形工
16、艺能够生产出任何尺寸精度高的无缺陷的复杂形状的零件,可以大幅度提高材料的利用率,降低后续的机械加工费用,并且可以通过改变应变速率和锻造温度的方法对金属组织进行精确控制,达到提高材料力学性能的目的。尤其是等温模锻工艺为成形难变形材料提供了可靠的手段,在宇航工业中受到相当高的重视。,9.4 材料的等温成形性 对于确定的材料,影响等温成形工艺的因素:变形温度;应变速率;变形程度;润滑条件等。合理的等温成形工艺热力规范可以保证材料具有较高的塑性和低的变形抗力,有利于等温成形过程的稳定进行。,材料的等温成形性可由塑性图和应力-应变曲线确定。完整的塑性图给出了压缩时的变形程度,拉伸时的抗拉强度、伸长率和断
17、面收缩率,扭转时的扭转角度和转数,冲击韧性以及其他工艺性能和力学性能随变形温度的变化规律。由材料的塑性图可以得到塑性区和脆性区的最大值和最小值,由此确定材料的变形温度范围。应力-应变曲线则反映了材料的变形抗力随变形程度的变化规律,由此可以了解材料的加工硬化及软化特性。不同种类的材料其塑性图和应力-应变曲线具有很大的差异,为了合理地确定等温成形工艺的热力规范,应对各种不同材料的等温成形性能进行分析。,1.钢铁材料的等温成形性 图9-l给出了碳钢的伸长率、断面收缩率、冲击韧性ak;以及抗拉强度随温度的变化规律。图9-2为合金钢的伸长率、断面收缩率、冲击压缩极限变形程度K以及抗拉强度b 随温度的变化
18、规律。,对于碳钢和合金钢,当温度高于700时,具有较高的塑性和较低的变形抗力,并且变形抗力随变形程度的变化不大,如图9-3所示。因此,碳钢和合金钢的变形温度范围是比较宽的。表9-1给出了常用钢铁材料的锻造温度范围。,从表9-1中可以看出,不同钢种的锻造温度范围有很大的差别。普碳钢的锻造温度范围是比较宽的,为580,而合金工具钢的锻造温度范围比较窄,例如40Cr5W2VSi的锻造温度范围为200。由于普碳钢的锻造温度范围较宽,因而通常采用常规热变形方法进行成形。但是,对于形状复杂,且具有窄筋、薄腹的小型零件,由于变形温度降低会影响到材料的成形性,故可采用等温成形工艺或适当预热模具温度来进行加工。
19、对于合金钢,尤其是形状复杂的小型合金钢零件,由于锻造温度范围比较窄,采用常规热变形方法通常需要进行多火次成形,而采用等温成形工艺,不仅可以通过一道工序进行成形,而且由于可以在较低的变形温度下进行成形,可以获得高质量的合金钢零件。,2.铝合金的等温成形性 铝合金作为仅次于钢铁的实用金属材料,在工业上得到了极为广泛的应用。近年来,由于铝合金具有密度低、强度高、耐腐蚀等特点,作为结构材料的开发与应用研究非常活跃。自1906年Wilm发现铝合金的时效硬化现象以来,人们先后开发出了硬铝2A11(2017)、超硬铝2A12(2024)以及特超硬铝(ESD,Extra Super Duralumin,707
20、5)等高强度铝合金,以及2618耐热铝合金,这些合金主要用于飞机结构用材。,商业运输机上广泛应用的两种铝合金是2A12(超硬铝)和7075(特超硬铝)。2A12铝合金主要用来制作具有高耐损伤性能的部件,例如飞机蒙皮等;而7075铝合金则广泛用来制作锻件及主要承受压应力的结构件,例如飞机的上翼面等。2618(耐热铝合金)铝合金是制造飞机发动机机壳和叶片的重要结构材料。现代飞机的速度已经达到音速的两倍多,而且还在向着更高速度的方向发展。高性能飞机的发动机涡轮进口温度已达1300。超音速(马赫数Ma2.5)飞机在飞行过程中由于气体冲刷,蒙皮的温度可达到150200。飞机巡航速度越高,要求发动机性能越
21、好,对材料的耐热性、强度的要求也越高。,现有铝合金超过150时,强度就明显下降。现代航空不但要求飞机速度高,还要求性能好、寿命长、安全可靠,这就给航空材料提出了更高、更严格的要求。首先要求材料具有密度低、强度高、韧性高的特点。提高材料的强度,可以使飞机结构件的横截面积减小,由此可以达到减轻飞机重量的目的。虽然钛可以承受巡航速度Ma=2.7的高温,但由于钛价格昂贵,会使飞机成本过高。目前,所使用的铝合金的比强度以及耐高温性能虽然与钛及钛合金相比还有一定的差距,但是,与钛合金相比,铝合金具有密度低、成本低等优势。,为了达到提高铝合金的强度、韧性、抗应力腐蚀性以及耐热性的目的,正在积极研究开发新型铝
22、合金。例如,开发精炼、形变热处理技术,以提高铝合金的性能。在应用方面,已不仅仅局限于飞机用结构材料,而正向其他领域扩展。超塑性铝合金,快速冷凝铝合金粉末,低密度、高弹性A1-Li合金,铝合金复合材料等,正逐渐地达到实用化。材料强度和韧性往往是相互矛盾的。强度提高,一般要引起材料韧性下降。而韧性低的材料,易发生低应力断裂,造成事故。因此,研究在提高强度的同时,提高其韧性是人们长期以来追求的目标。目前在这方面的研究工作已取得一些进展,如提高原材料纯度,进行适当的合金化及热处理等。,在标准的和新型的变形铝合金中,基本的合金元素是铜、镁、硅、锰、镍、锌、铬以及钛等。一般来说,随着合金化程度的提高,铝合
23、金的强度得到提高,但塑性总是降低的,并且其锻造温度范围比较窄,通常在100左右,某些高强度铝合金的锻造温度范围甚至小于100。例如7A04(LC4)超硬铝,其主要强化相为MgZn2和Al2CuMg化合物,铝与MgZn2形成共晶,其熔化温度为470。因此,其始锻造温度应低于430。7A04铝合金的退火温度为390(表明7A04具有较高的再结晶温度),因此,该合金终锻温度通常取350。由此可以看出,7A04的锻造温度范围只有80左右。,图9-4给出了2A12铝合金的伸长率、断面收缩率、冲击韧性ak、抗拉强度b、冲击压缩极限变形程度K以及扭转次数n随温度的变化规律。,从图9-4中可以看出,2A12铝
24、合金在350450温度范围的塑性较好,能进行60的压缩变形。当温度高于450或低于350时,塑性较低。由此可以看出,2A12铝合金应在350450温度范围,以不大于60冲击压缩变形进行塑性加工。,对于等温成形来说,变形速度是影响材料成形过程的重要工艺参数之一。图9-5给出了应变速率对2A12铝合金屈服强度的影响规律。从图9-5中可以看出,(1)在350450温度范围内,2A12铝合金的屈服强度随应变速率的升高而增加;(2)不同温度条件下的屈服强度随应变速率的变化规律大致相同,其变化幅度是非常大的。,表9-2给出了常用铝合金材料的锻造温度范围。从表9-2中可以看出,铝合金材料的锻造温度范围是比较
25、窄的。大致在100左右。,虽然铝合金的锻造温度范围比较窄,但是,由于铝合金的熔点温度较低,对成形加工的时间不必加以限制,在生产效率允许的前提下,可以采用较低的温度进行塑性加工。此外,铝合金的熔点温度较低也使模具材料的选择范围更宽一些,便于进行等温成形。从保护地球环境以及可持续发展战略的角度出发,铝合金将是人类社会最重要的轻量化结构材料,在减轻汽车重量,提高燃料利用率方面扮演重要角色。一般来说,改善燃料利用率应主要考虑以下几点:减轻汽车的重量;减少汽车运行时的阻力;提高汽车发动机和驱动系统的效率。其中汽车的轻量化最为有效。,目前,日本汽车用铝合金的产量已经超过了100万t,大约占日本国内铝合金产
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