等温与超塑锻造的锻模及加热装置设计

1.加热装置

等温模锻与超塑性模锻都需要能在变形过程中保持恒温的加热装置。通常采用感应加热与电阻加热，图5-4-1、图5-4-2所示分别为采用感应加热和电阻加热的模具。

图5-4-1 采用感应加热的模具

1—感应圈 2—上模 3—顶杆 4—下模 5—间隙 6—水冷板

图5-4-2 采用电阻加热的模具

1—模座 2—导柱 3—导套 4—硬块 5—锻件 6—顶杆 7—凸模 8—坯料 9—浮动芯 10—型圈 11—电阻加热圈 12—固定芯

加热装置的功率可用下式计算：

N=（G（T₂-T₁）c）/（0.21tη）

式中 N——加热功率（kW）；

G——被加热金属质量（kg）；

c——被加热金属的比热容（J/kg·K）；

T₁——加热前温度（℃）；

T₂——所需加热温度（℃）；

t——加热时间（h）；

η——效率，η=0.35～0.40。

钢的比热容：c=481.5J/（kg·K）

2.锻模结构及材料

等温模锻与超塑性模锻精度较高，在锻件设计上，与普通模锻有所区别，模具设计也应与此相适应（见表5-4-15）。

表5-4-15 模锻投影面积小于645cm²的钛合金锻件时两种方法的比较(www.xing528.com)

等温模锻与超塑性模锻又分为开式模锻（有飞边模锻）和闭式模锻（无飞边模锻），开式与闭式模锻锻模设计方面，有同有异：

1）模膛结构。闭式锻造用模具多采用如图5-4-1所示镶块组合式结构，便于模具加工与锻件顶出；开式锻模多用整体式结构。

2）导向。闭式锻模多用模口导向，间隙研配为0.10～0.12mm。开式锻模可用导柱导向，导柱高径比不大于1.5，导柱与导向孔的双面间隙，依导柱直径不同，取0.08～0.25mm。

3）飞边槽。开式锻模带有飞边槽。在等温状态下，不存在飞边冷却问题，在飞边槽尺寸相同时，桥部阻力小于常规模锻。表5-4-16和图5-4-3所示为外径ϕ190的7A09材料导风轮不同模锻方法的飞边槽比较。由表中可见，等温模锻飞边槽的桥部高度、宽度和仓部高度、宽度分别为普通模锻的11%～12.6%、40%～60%、40%～42%、35%～40%。采用小飞边的目的是弥补等温条件带来的飞边阻力下降。

表5-4-16 7A09材料导风轮不同模锻方法的飞边槽比较

4）模锻斜度。闭式模锻无拔模斜度，开式模锻拔模斜度同闭式模锻。

5）顶出机构。闭式模锻必须设顶出机构，开式模锻可根据情况决定顶出机构的取舍。

图5-4-3 导风轮不同模锻方法的飞边槽

a）普通模锻 b）等温模锻

6）收缩值。在等温状态下，锻件收缩值取决于模具材料与锻件材料线膨胀系数的差异，收缩值可用下式计算后加在模具尺寸上：

Δ=（t₂-t₁）（a₁-a₂）L

式中 t₁、t₂——室温与模锻温度（℃）；

a₁、a2——坯料与模具的线膨胀系数（K^-1）；

L——模具尺寸（mm）；

Δ——收缩值（mm）。

7）模具材料。根据锻件的变形温度范围可将等温锻造和超塑性锻造模具分为三类：第一类是常规的热模具钢，如5CrNiMo、3Cr2W8V等；第二类是最高使用温度在1000℃左右的高温合金模具，如欧美的IN100、MAR-M-200、X-40、Udimet700、Inconel713C、Astroloy、IN718、Waspoloy等，国内的K3、K5合金；第三类是当变形温度超过1000℃的某些高温合金模具及其他高温材料锻造时用的铸造镍基高温合金、难熔金属合金（主要有钼基合金以及钨基合金）模具及某些陶瓷模具。我国研制开发的Ni₃Al基合金IC6在1100℃/100h的持久强度可达100MPa，具有突出的高温强度。

铝合金与镁合金锻模可采用热模具钢。钛合金和钢锻模用高温合金制造，国内常用GH类材料与K3、K5合金。但是，镍基高温合金在锻造温度范围内有抗蠕变性能差和强度陡降的特点，因此，国外又发展了热模具锻造工艺，即模温为750～850℃，钛合金坯温度仍为900～950℃，且适当提高锻造速度。图5-4-4表示出了常规锻造、热模具锻造、等温锻造、超塑锻造的模温与锻造时间的区别。