本發(fā)明涉及一種鋼的半固態(tài)坯料制備方法，屬于半固態(tài)坯料制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

20世紀(jì)70年代，F(xiàn)lemings等提出了金屬半固態(tài)成形技術(shù)(Semi-Solid Mental Forming Processes, SSM)。與常規(guī)金屬成形工藝相比較，金屬半固態(tài)成形具有很多優(yōu)點(diǎn)，能以較高速度成形獲得內(nèi)部組織性能好、尺寸精度高的復(fù)雜金屬零件，被專家們稱為21世紀(jì)新興的金屬制造關(guān)鍵技術(shù)之一，而制備具有均勻細(xì)小的等軸非枝晶組織、既有較高固相率（便于夾持）、又具有相當(dāng)?shù)偷募羟辛鲃?dòng)應(yīng)力（便于充型）的半固態(tài)坯料是金屬半固態(tài)觸變成形的基礎(chǔ)與關(guān)鍵, 也是半固態(tài)成形研究領(lǐng)域的重要課題。

目前，常用的半固態(tài)坯料制備方法有：攪拌法（機(jī)械攪拌法、電磁攪拌法等）、非攪拌法（旋轉(zhuǎn)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，這些方法目前多用于制備鋁合金、鎂合金等低熔點(diǎn)合金的半固態(tài)坯料。

由于鋼的熔點(diǎn)高，固液線溫度區(qū)間相對較小，因此對加工設(shè)備的耐高溫性能要求較高，且其流變特性不易測定，導(dǎo)致其半固態(tài)坯料的制備困難；目前用于鋼的半固態(tài)坯料制備方法有機(jī)械攪拌法，電磁攪拌法，傾斜板冷卻法，應(yīng)變誘導(dǎo)熔體活化法(Strain Induced Melt Activation, SIMA)等。其中機(jī)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,并會(huì)對熔體產(chǎn)生污染；電磁攪拌法則需要電磁攪拌設(shè)備，費(fèi)用昂貴，成本高；采用攪拌法、傾斜冷卻板法等凝固的方法，一般會(huì)出現(xiàn)氣孔，縮松，成分偏析等微觀缺陷，并且常應(yīng)用于半固態(tài)流變成形的制漿；而應(yīng)變誘導(dǎo)熔體活化法(Strain Induced Melt Activation, SIMA)將固體坯料進(jìn)行大的塑性變形，以獲得晶粒細(xì)小的SIMA原料，再將其加熱到固液兩相區(qū)保溫一段時(shí)間，它制備出的金屬半固態(tài)坯料較為純凈，且生產(chǎn)效率高，它不僅適用于低熔點(diǎn)合金而且可用于高熔點(diǎn)合金材料的半固態(tài)坯料的制備，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(guī)方法制備半固態(tài)坯料時(shí)，存在變形量小，變形不均勻等缺點(diǎn)最后導(dǎo)致制備出來的半固態(tài)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，但需要制造模具，增加了成本，對設(shè)備要求也較高;且多用于鋁、鎂等低熔點(diǎn)合金的半固態(tài)坯料的制備。但是對于鋼鐵等高熔點(diǎn)合金材料，它的半固態(tài)坯料的制備將更加困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種鋼的半固態(tài)坯料制備方法，該方法操作簡單，效率高，工藝流程短，設(shè)備要求低，成本低，且能夠制備出組織均勻細(xì)小，球化率好，固相分?jǐn)?shù)為20%~60%的半固態(tài)坯料。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種鋼的半固態(tài)坯料制備方法，包括如下具體制備步驟：

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(jìn)行加熱保溫，保溫時(shí)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(jìn)行鐓粗變形，使之達(dá)到設(shè)定的變形量；

3）鐓粗完成后，將坯料拔長鍛造，恢復(fù)至坯料初始尺寸；

4）在鍛造溫度范圍內(nèi),多次重復(fù)步驟2）、3），然后將坯料快速冷卻至室溫；

5）迅速將高溫電阻爐的爐溫達(dá)到鋼的半固態(tài)溫度1250℃~1450℃，將鐓拔后的坯料放入高溫電阻爐內(nèi)加熱保溫，獲得鋼的半固態(tài)坯料。

上述的鋼的半固態(tài)坯料制備方法中，步驟2）中，設(shè)定的變形量不小于20%。

上述的鋼的半固態(tài)坯料制備方法中，步驟4）中，重復(fù)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(tài)坯料制備方法中，步驟4）中，在重復(fù)步驟2）、3）過程中，次數(shù)未達(dá)到而坯料溫度低于終鍛溫度時(shí),將坯料放回高溫電阻爐中進(jìn)行加熱、保溫，然后繼續(xù)重復(fù)步驟2）、3）。

上述的鋼的半固態(tài)坯料制備方法中，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(tài)坯料制備方法中，步驟5）中，向高溫電阻爐內(nèi)通入惰性氣體或抽真空，坯料在惰性氣體或抽真空狀態(tài)下保溫5min~30min。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

（1）本發(fā)明的方法只需鋼在鍛造溫度范圍內(nèi)進(jìn)行軸向多道次鐓拔達(dá)到大塑性變形，以細(xì)化晶粒、儲(chǔ)存變形能，結(jié)合半固態(tài)溫度的等溫處理局部熔化、球化坯料，即可制備出合格的鋼的半固態(tài)坯料；工藝步驟簡單，成本低；同時(shí)，對設(shè)備要求低，大型設(shè)備只需鍛錘和高溫電阻爐；此外，該方法涉及的是傳統(tǒng)的自由鍛造和半固態(tài)等溫處理，故本方法簡單，易操作。

（2）本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)坯料的大塑性變形，使枝晶破碎，細(xì)化晶粒，儲(chǔ)存大量變形能，達(dá)到應(yīng)變誘導(dǎo)效果；此外，在鐓拔前，我們通過鍛造比來控制變形量，規(guī)范了鐓拔過程中的鐓粗拔長尺寸，保證變形量在20%以上，結(jié)合隨后的半固態(tài)等溫處理，可獲得組織均勻細(xì)小，球化率好，固相分?jǐn)?shù)合理的半固態(tài)坯料。本發(fā)明不需制造制坯模具，簡化了工藝，降低了成本。

（3）本發(fā)明制備的鋼的半固態(tài)坯料可以直接用于半固態(tài)觸變成形，省去了二次加熱過程，簡化了工藝流程，節(jié)約成本；也可以快速冷卻至室溫，保存半固態(tài)坯料。

（4）本發(fā)明能有效解決鋼的固液線溫度區(qū)間較小，受加工設(shè)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(shù)難題，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量鋼的半固態(tài)坯料的制備。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的工藝流程圖。

圖2是總鍛比為13.8，三鐓三拔快速冷卻后的軸承鋼微觀組織。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

實(shí)施例1

如圖1所示，本實(shí)施例采用100Cr6軸承鋼為例，其半固態(tài)坯料的制備方法如下：

（1）通過查文獻(xiàn)所得100Cr6軸承鋼的鍛造溫度范圍為800℃~1100℃；固相溫度點(diǎn)1307℃，液相溫度點(diǎn)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，采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(jīng)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，采用寬平砧鐓拔法，鍛造比為2.3，將坯料鐓粗，終鍛溫度800℃。

（4）鐓粗完成后，將坯料拔長鍛造，恢復(fù)至原坯料尺寸Φ50mm×90mm。

（5）在鍛造溫度范圍內(nèi)，重復(fù)步驟（3）、（4）3次；坯料的終鍛溫度800℃，實(shí)驗(yàn)過程中，采用紅外測溫儀測量溫度，采用鋼尺，卡尺測量尺寸，坯料溫度低于終鍛溫度時(shí)回爐再次加熱保溫，然后將坯料淬火至室溫。

（6）將高溫電阻爐通入氬氣并以15℃/min的升溫速度，迅速將爐溫達(dá)到半固態(tài)溫度1390℃，并保持溫度恒定，然后將鐓拔后的坯料運(yùn)送到高溫電阻爐內(nèi)，在氬氣保護(hù)下保溫5 min ~30min，獲得100Cr6軸承鋼的半固態(tài)坯料。

如圖2所示，結(jié)果表明本發(fā)明能夠制備出組織均勻細(xì)小，晶粒尺寸在100μm以下，球化好，固相分?jǐn)?shù)在20%~60%的鋼的半固態(tài)坯料。本發(fā)明還具有操作簡單，變形量大，變形易控制，對設(shè)備要求低，成本低的優(yōu)點(diǎn)。

實(shí)施例2

本實(shí)施例采用60Si2Mn彈簧鋼為例，其半固態(tài)坯料的制備方法如下：

（1）通過查文獻(xiàn)所得60Si2Mn彈簧鋼的鍛造溫度范圍為850℃~1200℃；固相溫度點(diǎn)1410℃，液相溫度點(diǎn)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，采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(jīng)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，采用寬平砧鐓拔法，鍛造比為2，將坯料鐓粗，終鍛溫度850℃。

（4）鐓粗完成后，將坯料拔長鍛造，恢復(fù)至原坯料尺寸Φ50mm×90mm，終鍛溫度850℃。

（5）在鍛造溫度范圍內(nèi)，重復(fù)步驟（3）、（4）次；坯料的終鍛溫度850℃，實(shí)驗(yàn)過程中，采用紅外測溫儀測量溫度，采用鋼尺，卡尺測量尺寸，坯料溫度低于終鍛溫度時(shí)回爐再次加熱保溫，然后將坯料淬火至室溫。

（6）將高溫電阻爐抽真空并以10℃/min的升溫速度，迅速將爐溫達(dá)到半固態(tài)溫度1450℃，并保持溫度恒定，然后將坯料運(yùn)送到高溫電阻爐內(nèi)，在真空保護(hù)下保溫5 min ~30min，獲得60Si2Mn彈簧鋼的半固態(tài)坯料。

實(shí)施例3

本實(shí)施例采用X210CrW12工具鋼為例，其半固態(tài)坯料的制備方法如下：

（1）通過查文獻(xiàn)所得X210CrW12工具鋼的鍛造溫度范圍為850℃~1150℃；固相溫度點(diǎn)1200℃，液相溫度點(diǎn)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，采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(jīng)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，采用寬平砧鐓拔法，鍛造比為2，將坯料鐓粗，終鍛溫度850℃。

（4）鐓粗完成后，將坯料拔長鍛造，恢復(fù)至原坯料尺寸Φ50mm×90mm，終鍛溫度850℃。

（5）在鍛造溫度范圍內(nèi)，重復(fù)步驟（3）、（4）5次；坯料的終鍛溫度850℃，實(shí)驗(yàn)過程中，采用紅外測溫儀測量溫度，采用鋼尺，卡尺測量尺寸，坯料溫度低于終鍛溫度時(shí)回爐再次加熱保溫，然后將坯料淬火至室溫。

在重復(fù)步驟2）、3）過程中，重復(fù)次數(shù)尚未達(dá)到5次，而坯料溫度低于終鍛溫度時(shí),將坯料放回高溫電阻爐中進(jìn)行加熱、保溫，然后繼續(xù)重復(fù)步驟2）、3）。

（6）將高溫電阻爐抽真空并以5℃/min的升溫速度，迅速將爐溫達(dá)到半固態(tài)溫度1250℃，并保持溫度恒定，然后將坯料運(yùn)送到高溫電阻爐內(nèi)，在真空保護(hù)下保溫5min ~30min，獲得X210CrW12工具鋼的半固態(tài)坯料。