基于铸辗复合成形的42CrMo钢环坯铸造工艺与试验研究

针对目前环形零件生产工艺流程长,加热次数多,浪费材料和能源等问题,提出和研究环形零件短流程铸辗复合成形新工艺。该工艺采用铸造环坯直接辗扩成形,具有节能、节材和缩短工艺流程等优点。在这种新工艺中,环坯的铸造质量、组织和力学性能对后续的辗扩工艺和环形零件组织、性能具有重要的影响。以轴承环件常用的42CrMo钢为研究对象,通过理论分析和模拟研究,提出高质量环形铸坯铸造工艺;并进行实际工业试验。通过试验研究和性能测试,表明该铸造工艺生产的环形铸坯具有良好的质量、组织和力学性能,可以为轴承环件铸辗复合成形提供高质量的铸坯。

基于铸辗复合成形的25Mn钢法兰热处理工艺的试验研究

以铸辗复合成形的25Mn钢法兰为研究对象,研究热处理工艺参数对25Mn钢法兰微观组织及力学性能的影响;通过扫描电镜观察分析,揭示25Mn钢法兰件经不同回火温度处理后拉伸与冲击断口的断裂机理。试验结果表明,辗扩后法兰件内存在残余应力,组织不均匀,拉伸与冲击断裂形式主要为准解理和脆性断裂。在220~660℃回火时,晶粒得到细化,组织均匀;低温回火后,断口形貌为河流状花样和撕裂棱,韧窝少而浅,断裂形式为剪切和解理断裂;且随着回火温度的升高,强度总体呈下降趋势;经620℃回火析出细粒状碳化物,塑性达到峰值,伸长率和断面收缩率分别约为29%和65.32%,此时韧窝密度大,深度变深,冲击吸收能量最大（约103 J）,塑韧性最好。回火温度大于620℃,碳化物发生球化,塑韧性降低。为获得优良的综合力学性能,制定25Mn钢法兰的最佳热处理工艺为880℃淬火保温2 h,在10%NaCl水溶液中冷却后620℃回火10 h。

基于铸辗复合成形的铸态42CrMo钢热物理性能参数的研究

铸辗复合成形工艺是生产环形零件的先进成形技术,具有高效短流程、节能节材和减少排放等显著优点。对铸态环坯材料在成形工艺条件下的组织演变机理和变形热力学条件进行深入的研究,对于实现材料在这种短流程中的组织改善和成形成性一体化调控,具有重要意义。分析研究材料在热变形条件下热物理性能参数和建立准确的材料模型,是分析研究材料热成形过程组织演变和实现成形成性一体化调控的前提和关键。针对轴承套圈铸辗复合成形工艺,以42CrMo钢为研究对象,通过数值模拟和试验研究,得到热变性条件下铸态42CrMo钢的热物性参数如热导率、比热容和热扩散系数及其变化规律,分析影响这些热物性参数变化的因素,可为分析42CrMo环件铸辗复合成形工艺和实现成形过程中组织和性能的改善提供准确的数据和模型。

42CrMo环件铸辗复合成形的跨尺度建模

基于有限元理论和元胞自动机模型,提出一种宏观与微观尺度相结合的铸态42CrMo合金环件短流程铸辗复合成形工艺混合建模方法。在铸辗复合成形新工艺理论框架下,定义考虑环坯热变形行为和晶粒空间结构的宏观/微观边界转换条件,该边界条件有助于环件的形/性一体化调控。在微观元胞自动机模型框架下,研究晶粒拓扑变形技术,充分考虑晶粒空间重叠的结构问题,通过独立成分分析对晶粒的拓扑结构进行优化。应用混合模型模拟环件短流程铸辗复合成形过程,结果表明,混合建模能根据环件整体和各位置所需表现尺度的不同,应用不同层次的宏微观模型分别模拟,有效提高了铸态环件短流程铸辗复合成形工艺的模拟效能。

基于铸辗复合成形的42CrMo钢环件摩擦磨损性能的试验研究

采用MMW-1A万能摩擦磨损试验机对基于铸辗复合成形的42CrMo钢环件摩擦磨损性能进行研究,分析了载荷、滑动速度等工况条件对其摩擦磨损性能的影响,并利用扫描电镜观察磨损表面形貌,对其摩擦磨损机理进行探讨。结果表明,其体积磨损量随滑动距离的延长不断增加,磨损量随载荷、滑动速度的增大而增加;摩擦系数随滑动速度的提高而降低,随载荷的增大先减小后增大;在载荷为100N、滑动速度为0.78m/s时,42CrMo钢环件的耐磨性能较好。该钢的摩擦磨损机理主要是磨粒磨损和粘着磨损;在大载荷、高滑动速度下,发生严重塑性变形,降低了42CrMo钢环件的耐磨性。

铸辗复合成形法兰坯高温变形行为及加工图

环件铸辗复合成形工艺具有缩短工艺流程、高效和节能节材等优点,研究铸态环坯在铸辗复合成形工艺下的高温变形行为,揭示其组织演变机理,是实现材料在该成形工艺中成形与成性的关键。在不同变形条件下对砂型铸造和离心铸造Q235B法兰坯进行高温压缩试验,分析其流变应力的变化,推导出二者的本构方程。综合变形温度和应变速率对材料微观结构与性能的影响,建立基于动态材料模型的加工图。试验结果表明:二者的流变应力随着应变速率的增加和变形温度的降低而增大。离心铸造法兰坯的流变应力较低,动态再结晶易于发生,且功耗效率值及其变化幅度都要大于砂型铸造,表明了其显微组织变化剧烈,演变更加充分。结合二者的热加工图及其识别出的典型区域显微组织,获得了适合该法兰坯辗扩工艺的热力参数范围,离心铸造可为法兰坯铸辗复合成形工艺提供高质量的铸坯。

环件铸辗复合成形工艺中毛坯尺寸的确定方法

毛坯尺寸设计作为大型环件径轴向辗扩工艺中的重要环节,直接影响着辗扩过程的稳定实现及工件的成形质量。本文对环件铸辗复合成形新工艺中毛坯尺寸的确定进行了研究,获得了辗扩比、毛坯内径分别与环件锻件内径的关系;结果表明:通过给定任一环件尺寸,该方法能快速而准确地获得辗扩比的值和毛坯内径的值,具有设计效率高、准确可靠的优点,在适用于大型特大型环件的生产方面优势明显;同时,本文的设计方法为环件铸辗复合成形新工艺中辗扩过程的稳定实现及辗扩工艺参数的优化设计提供了科学合理的依据。

基于铸辗复合成形的42CrMo钢稳态变形参数的确定

通过热压缩试验获得42CrMo钢铸坯的流变应力，以动态材料模型和Prasad’s失稳准则为基础，建立不同变形量下42CrMo钢铸坯的功率耗散图、失稳图及加工图，分析其热变形过程并确定稳态变形参数。研究得出了变形失稳区在高应变速率（大于0．35s^-1）时出现，且随应变速率的增加和变形量的增大，失稳区域变宽。变形温度850～1150℃、应变速率0．05～0．35s^-1为稳态变形区域。功率耗散效率的峰值35％出现在1100℃／0．05^s-1处，被认为是最佳变形工艺参数。

42CrMo钢铸造环坯辗扩成形理论与工艺分析

与目前常用的环类零件生产工艺相比,基于环形铸坯的短流程铸辗复合成形新工艺具有节约材料和能源、缩短工艺流程等优点。以轴承环件常用的42CrMo钢为研究对象,探讨基于环形铸坯的轴承环件辗扩成形机理和工艺。借助于热力模拟试验和组织测试分析,揭示42CrMo钢在热变形条件下组织演变机理和规律;通过理论分析与数值模拟,研究铸坯环件辗扩成形过程中变形工艺参数及其对金属变形和组织演变规律的影响,实现环形零件铸辗复合成形/成性一体化调控;在洛阳LYC轴承股份有限公司,完成轴承套圈铸辗复合成形工业试验。试件的力学性能测试结果表明,这种短流程铸辗复合成形新工艺生产的环形零件具有良好的力学性能指标,可满足工业使用要求。

不同铸态42CrMo坯料尺寸下环件径轴向辗轧成形组织演变规律

基于铸坯的环件径轴向辗轧成形新技术面临的瓶颈问题,对坯料铸态组织的演变规律与合理控制进行研究。对某环件双向轧制,铸坯的尺寸将决定变形程度和径、轴向的变形量分配,从而对最终环件的组织起着至关重要的作用。该文基于ABAQUS平台,建立了42CrMo钢铸坯环件径轴向热辗轧宏微观耦合有限元模型;采用一种基于轧比K和径轴向变形量分配比tanα的坯料尺寸设计方法,针对同一环件的轧制过程,设计具有不同K和tanα值的不同尺寸的多个环坯,模拟不同铸态42CrMo坯料尺寸下环件径轴向辗轧过程组织的演变规律。结果表明,随着K值增大,环件动态再结晶程度增加,平均晶粒尺寸减小且分布逐渐均匀;随着tanα值增大,环件上下端面区域动态再结晶程度增大,平均晶粒尺寸减小,沿环件轴向平均晶粒尺寸分布逐渐不均匀,而内外表面区域动态再结晶程度减小,平均晶粒尺寸增大,沿环件径向平均晶粒尺寸分布逐渐均匀。

铸态42CrMo环坯热辗扩微观组织模拟

为避免传统环件热成形工艺需要多次加热等问题,以铸态42CrMo合金环坯短流程铸辗复合成形工艺为研究对象,通过Gleeble-1500D热模拟试验机及金相显微镜进行系列试验研究,得到温度850～1150℃,应变速率0.05～5s-1的流变应力曲线.对流变应力曲线进行图形变换求解出位错密度变化和每个动态再结晶晶粒生长的动力学行为,并评估成核和动态再结晶晶粒的生长动力学行为.研究晶粒拓扑变形技术,并通过主成分分析对晶粒的拓扑结构进行优化.结果表明,采用Kock-M ecking（KM）位错密度模型可以揭示42CrMo合金动态再结晶过程中的位错密度演变,结合元胞自动机和优化后的晶粒拓扑变形技术的KM位错密度模型,能精确地模拟位错密度动态再结晶过程.

驱动辊转速对铸态42CrMo钢环件热辗轧微观组织的影响规律

环形铸坯微观组织的演变规律及合理控制是环类零件铸辗复合成形新技术发展面临的主要瓶颈问题。驱动辊转速是影响铸坯材料再结晶行为及组织状态的关键因素之一。本文基于ABAQUS平台,建立了42CrMo铸坯环件热辗轧的宏微观有限元模型,模拟揭示了环形铸坯材料的动态再结晶行为,阐明了驱动辊转速对再结晶晶粒尺寸及其分布的影响规律与机制。结果表明:铸坯材料动态再结晶百分数在环件内、外层高而使晶粒细化,而在环件中间层低导致粗晶;驱动辊转速增大,铸坯材料动态再结晶百分数增加,轧制环件的平均晶粒尺寸减小;驱动辊转速对平均晶粒尺寸分布的均匀性影响不大。

离心铸造Q235B钢环件热辗扩过程中的组织演变

环件铸辗复合成形技术的关键在于使铸态环坯在热辗扩过程中实现宏观几何尺寸成形与微观组织改性的一体化制造。采用热压缩实验建立离心铸造Q235B钢组织演变模型,在DEFORM-3D平台上实现环形铸坯热辗扩过程变形-传热-微观组织演变耦合分析,揭示进给速度和初始辗扩温度对其组织演变的影响。结果表明,随着进给速度增大,动态再结晶体积分数和平均晶粒尺寸均减小;随着初始辗扩温度升高,动态再结晶体积分数增大,平均晶粒尺寸减小,且在1150℃时分布均匀。通过离心铸造环坯工业热辗扩实验发现,环件的各项力学性能指标均达到了标准要求,环件全厚度区域的外层和内层晶粒细小,平均晶粒直径为30~38μm,近中层的少数晶粒尺寸略大,达到了52~57μm。因此,采用离心铸造Q235B钢环坯直接热辗扩成形环件是切实可行的,可以实现环件“形”/“性”一体化控制。

Q235B环形铸坯显微组织和力学性能的研究

针对短流程铸辗复合成形工艺,以法兰常用材料Q235B碳素钢作为研究对象,通过金相观察、力学性能测试和断口扫描等试验,研究砂型铸造方式和离心铸造方式对环形铸坯组织和力学性能的影响。结果表明,Q235B碳素钢的室温组织主要由铁素体和珠光体组成;砂型铸坯中的铁素体以块状的形式存在,且晶粒较为粗大,离心铸坯中的铁素体以针状和块状的形式存在,且晶粒较为细小。离心铸坯的抗拉强度和塑性、冲击韧度均明显优于砂型铸坯。砂型铸坯的拉伸断口呈现韧窝和准解理并存的混合断裂特征,冲击断口几乎为完全的脆性解理断裂特征;离心铸坯的拉伸断口几乎为完全的韧性断裂特征,冲击断口由撕裂韧窝区域和解理区域组成。

双金属复合环形构件制造技术研究进展

环形构件作为关键连接、传动和回转支承基础件,品种多、用量大、用途广。在深空探测、石化和风电等极端严酷环境应用场合,对环件内层和外层性能均提出了不同要求,使得单一金属环件在性能上越来越难以满足实际使用性能的要求。双金属复合环形环件可以同时兼具两种单一金属材料的优点,最大限度地实现其性能的优势互补,从而提高环件的使役性能和可靠性。综述了现有双金属复合环形构件制造技术研究现状,根据复合环件界面结合机制的不同,着重阐述了滚压、胀接、拉拔复合等机械结合法和离心铸造复合等冶金结合法的结合规律与特点,指出了现有制造技术的局限性和存在的问题,在离心铸造复合法的基础上提出了基于离心铸坯的双金属复合环件短流程制造技术,总结了新技术的特点、研究内容和发展趋势。

铝合金环形零件形/性一体化制造技术

铝合金环形零件作为关键连接、传动、回转和支承部件在重型运载火箭贮箱、风电设备的轴承套圈及齿轮环、压力容器和核反应堆的加强圈等重大装备制造领域应用非常广泛。铝合金环形零件的生产是一个高能耗的热加工过程,现有生产工艺主要有两种:(1)厚板轧制-弯卷-对半焊接成形,环件焊接部位缝组织为弱性能区,无法满足在重载、冲击、高低温和强腐蚀等极端恶劣条件下长期稳定服役时的要求;(2)圆铸锭坯-多向锻造制坯-马架扩孔或环件辗扩,工艺流程冗长,辗扩前开坯、锻造和冲孔工序设备资金投入巨大,多次加热导致能源消耗和材料浪费严重,不利于环境友好型生产。深空探测领域铝合金环件存在几何尺度大、形状精度高、结构刚度低和服役环境苛刻等技术挑战,目前已实现Φ3 m~Φ10 m级大型铝合金环件辗扩生产。环件辗扩过程中的传热-变形-组织演变耦合行为使得环坯经历了多场、多因素作用下多道次、连续局部加载与卸载、不均匀变形和微观组织复杂演变历程。为了实现铝合金环件的辗扩成形,一是要使环件自身整体刚性和辗扩过程稳定,即"控稳";二是要使环件直径扩大与截面充填协同进行,同步获得径-轴向尺寸、截面轮廓及几何精度,即"控形";三是要使成形环件达到所要求的内部组织状态和各向性能,即"控性"。铝合金环形零件用环坯的制备是铝合金环件辗扩成形及其形/性一体化调控的基础,采用多向锻造变形技术可以有效细化大规格圆铸锭的粗大组织、破碎网状共晶化合物,实现组织改性,为后续辗扩过程提供优质环坯。通过开发铝合金环件双向辗扩智能建模仿真方法和基于力控的铝合金环件双向辗扩工艺路径智能仿真优化方法,解决了矩形/异形截面环件径-轴向变形区不协调、环件刚度弱及辗扩过程失稳等问题,实现了各轧辊运动的协调匹配和基于目标驱动的自动调控。利用辗扩成形后的形变强化和热处理时效析出强化改性技术,可以进一步提高环件强度和消除残余应力,使环件径向、轴向和周向均具有优良的性能。针对现有技术的不足,本文提出了环形零件短流程铸辗复合成形技术,将砂型铸造或离心铸造获得的环形铸坯加热后直接进行辗扩,在热辗扩过程中同时实现环形铸坯几何尺寸精度要求和组织与性能改善,揭示了基于织构演变的铸坯环件在热辗扩成形中的微观组织和性能控制机制,可为铝合金环件及铝基双金属层状复合环件的短流程形/性一体化制造提供理论指导。本文基于铝合金环形零件形/性一体化制造技术的研究现状,从铝合金环形零件用环坯的制备技术、铝合金环件辗扩成形技术和铝合金环件辗扩过程中组织与性能协同调控技术研究等方面做简要评述,着重阐述铝合金矩形/异形截面环件形/性一体化控制的技术挑战,提出铝合金环件制造技术的发展趋势及研究重点,以期推动铝合金环件/铝基双金属层状复合环件短流程制造过程中形/性一体化调控理论与技术的发展。

热处理对Q235B钢法兰的组织和性能的影响

铸辗复合成形的法兰内部存在较大的残余应力,而且晶粒尺寸分布不均,从而造成部分区域的力学性能不能满足实际要求,给应用带来安全隐患。本文以铸辗复合成形的Q235B钢法兰为研究对象,利用光学显微镜、扫描电镜和力学性能试验等方法,研究热处理工艺参数对Q235B钢法兰微观组织及力学性能的影响,探讨最佳的热处理工艺。试验结果表明:铸辗成形后的Q235B钢法兰经900℃淬火保温1 h,在10%Na Cl水溶液中冷却后600℃回火保温2 h,力学性能达到实际使用要求。