等温锻造

等温锻造等温锻造，简称等温锻，是模具加热到坯料变形温度并以低应变速率变形的模锻。

等温锻造技术自20世纪70年代开始不断成熟，并普遍用于航空与航天飞行器重要结构零件的制造中，取得了非常明显的技术经济效益。

1 工作原理等温锻造与常规锻造不同，在于它解决了毛坏与模具之间的温度差影响，使热毛坯在被加热到锻造温度的恒温模具中，以较低的应变速率成形。

从而解决了在常规锻造时由于变形金属的表面激冷造成的流动阻力和变形抗力的增加，以及变形金属内部变形不均匀而引起的组织性能的差异。

使得变形抗力降低到常规模锻的1/10-1/5，实现了在现有设备上完成较大锻件的成形，也使复杂程度较高的锻件精锻成形成为可能。

这项技术也是目前国际上实现净成形或近净成形技术的主要方法之—。

等温锻造通常指的是毛坯成形的工艺条件，它不包含毛坏在变形过程产生热效应引起的温升所造成的温差；由于热效应与金属成形时的应变速率有关，所以在考虑到这一影响时，一般在等温成形条件下，尽可能选用运动速度低的设备，如液压机等。

为使等温锻用模具易加热、保温和便于使用维护，等温锻装置的一般构造如图1所示。

2 等温锻造的分类从等温锻造技术的研究与发展看，等温锻造可分为三类。

等温精密模锻。

即金属在等温条件下锻造得到小斜度或无图1 等温模锻用模具装置原理图斜度、小余量或无余量的锻件。

这种方法可以生产一些形状复杂、尺寸精度要求一般，受力条件要求较高、外形接近零件形状的结构锻件。

等温超塑性模锻。

即金属不但在等温条件下，而且在极低的变形速率（10-4/s）条件下呈现出异常高的塑性状态，从而使难变形金属获得所需形状和尺寸。

粉末坯等温锻造。

这类工艺方法是以粉末冶金预制坯（通过热等静压或冷等静压）为等温锻原始坯料，在等温超塑条件下，使坯料产生较大变形、压实，从而获得锻件。

这种方法可以改善粉末冶金传统方法制成件的密度低、使用性能不理想等问题。

上述三类等温锻工艺方法，可根据锻件选材和使用性能要求选用。

同时还应考虑工艺的经济性和可行性等。

3 等温锻件的优点由等温锻造工艺特点所决定，等温锻件具有以下优点：余量小、精度高、复杂程度高，锻后加工余量小或局部加工，甚至不加工。

锻件纤维连续、力学性能好、各向异性不明显。

由于等温锻毛坯一次变形量大而金属流动均匀，锻件可获得等轴细晶组织，使锻件的屈服强度、低周疲劳性能及抗应力腐蚀能力有显著提高。

锻件无残余应力。

由于毛坯在高温下以极慢的应变速率进行塑性变形，金属充分软化，内部组织均匀，不存在常规锻造时变形不均匀所产生的内外应力差，消除了残余变形，热处理后尺寸稳定。

材料利用率高。

由于采用了小余量或无余量锻件精化设计，可提高锻件材料利用率。

提高了金属材料的塑性。

由于在等温慢速变形条件下，变形金属中的位错来得及回复，并能发生动态再结晶，使得难变形金属具有好的塑性。

如图2所示等温锻件，其变形程度达到了90%以上。

图2 护板接头等温精锻件4 等温锻造的工艺特点等温锻造与常规锻造相比，具有以下特点：等温锻造一般在运动速度较低的液压机上进行。

根据锻件的外形特点、复杂程度、变形特点和生产率要求以及不同的工艺类型，选择合理的运动速度。

一般等温锻造要求液压机活动横梁的工作速度为0.2-2.0mm/s或更低，在这种条件下，坯料能获得的应变速率低于0.01/s，坯料在这种应变速率下，具有超塑性趋势。

应变速率的降低，不仅使流动应力降低，而且还改善了模具的受力状况。

可提高设备的使用能力。

由于变形金属在极低的应变速率下成形，即使没有超塑性的金属，也可以在蠕变条件下成形，这时坯料所需的变形力是相当低的。

因此，在吨位较小的设备上可以锻造出较大的工件。

例如用5000kN液压机进行等温锻，可替代常规锻造时的20000kN水压机。

由于等温锻造时，坯料一次变形程度很大，如再配合适当的热处理或形变热处理，锻件就能获得非常细小而均匀的金相组织，不仅避免了锻件缺陷的产生，还可保证锻件的力学性能，减小锻件的各向异性。

等温锻造能使形状复杂、壁薄、筋高和薄腹板类锻件一次模锻成形，不仅改变了模锻设计方法，还实现了组合件整体锻造成形。

通过简化零件外形结构及结构合理化设计，等温精锻能达到净形，降低材料消耗，缩短制造周期和总制造费用的目的。

5 工艺设计（1）原材料几乎所有的铝、镁、钛、钢及其合金、合金钢、不锈钢、高温合金以及各种高性能新型金属材料，如机械合金化合金、有序金属间化合物及金属基复合材料等均可使用此工艺。

如果等温锻造时模具的加热温度是常规热作模具钢便能承受的话，那么这类材料的等温锻造工艺实施并无特殊困难，如铝镁合金复杂锻件的等温锻造已在生产中推广应用。

（2）模具及加热装置按照锻件材料的变形温度范围，等温锻造模具大致可以分为三类。

第一类是常规热作模具钢，如5CrNiMo、3Cr2W8V、4CrW2VSi；第二类是高温合金模具，如欧美的IN100、MAR-M200，中国的K3、K21等；第三类是当变形温度超过1000℃-1050℃的某些高温合金及其它高温材料锻造时的钼合金模具(T2M)以及某些陶瓷模具。

能够在变形温度下工作的等温锻造模具材料，其屈服强度应该在相应温度下变形材料屈服强度的三倍以上。

等温锻造的模具加热方法，根据变形温度范围的不同以及工艺实施的条件可以采用火焰加热法、电阻加热法以及感应加热法等。

（3）设备根据等温锻造低速变形的要求，通常采用专用液压机。

对它们的主要要求是：可调速并实施应变速率控制，工作行程自度调节范围最好能在0.1-0.001mm／s，应变速率通过微机控制；可保压，在额定压力下保压时间能在30分钟以上；有足够的闭合高度和工作台面尺寸，以满足等温锻造模具装置的安装要求；有顶出装置；有控温系统。

（4）防护润滑剂等温锻造具有模具温度高、应变速率低、变形时间长等特点，主要应用各种玻璃防护润滑剂，对它们的主要要求是：在模具和坯料间能生成连续均匀的润滑层，以减少摩擦系数，降低变形抗力；对坯料和模具不发生腐蚀作用；坯抖加热时能起保护作用、避免氧化和其它污染；兼有脱模剂作用。

6 等温锻件与模具设计的一般原则等温锻件设计与其成形时采用的工艺方法和模具结构有密切的关系，因此在锻件设计时应同时考虑其所采用的工艺方法，是开式模锻还是闭式模锻，是带余量锻造还是无余量锻造，是整体式模具还是组合式模具等。

（1）等温锻件设计原则锻件分模位置的选择。

应尽量采用平面分模。

当开式模锻时，与常规开式模锻分模相同；闭式模锻时，多采用组合模具，考虑锻后易取出锻件，则应采用多向平面分模，或曲线分模等；如图3所示。

(a) 护板接头(b) 整体涡轮图3 模膛分模示意图模锻斜度的确定。

开式模锻时，模锻斜度选取按HB6077-86标准中推荐值选用，有顶出装置时选小值。

闭式模锻时，在分模面上的侧壁外斜度为0，在其它部位一般取30′-3°，内斜度可取30′-1°30′。

由于闭式模锻多采用组合镶块模，模具材料的收缩率大于锻件材料的收缩率，镶块与锻件从模座中取出后，在大气中同时降温，镶块易从锻件中取出，如图4所示。

圆角半径的确定。

圆角半径是影响金属流动和模具使用寿命的主要因素之一。

在等温锻时，由于多向分模和多镶块结构，锻件上的凸圆角在分模面上时可为0，在其它部位时，与常规模锻相同或略小，凹模角不应太小，这主要考虑等温锻时，毛坯在模具中以压入成形为主，大圆角利于金属流动和避免缺陷产生，如图5所示。

(1) 镶块(2) 锻件(1)模块(2)锻件(3)模具(4)下模芯(5)上压模图4 锻件与镶块关系示意图图5 锻件圆角与分模位置间的关系示意图余量与公差的确定。

等温锻主要用于有色金属的成形，成形时需采用润滑与防护，成形后锻件表面需经何种处理与加工，决定着锻件余量是否加放、加放多少以及尺寸公差的选择等，一般分为三种情况。

普通余量等温锻件。

这类锻件主要考虑锻件表面大部分需机械加工，应依据锻件尺寸大小选择相应的余量值，可参照表1。

表1 有色金属锻件的机械加工余量锻件最大尺寸／mm 材料钛合金铝、镁和铜合金表面加工粗糙度12.5 3.2 0.8 12.5 3.2 0.8 单边余量／mm≤100 1.25 1.75 2.00 1.25 1.75 2.00100-160 1.50 2.00 2.25 1.50 2.00 2.25160-250 1.75 2.25 2.50 1.75 2.25 2.50250-360 2.00 2.50 2.75 2.00 2.50 2.75360-500 2.50 3.00 3.25 2.50 3.00 3.25500-630 3.00 3.25 3.50 2.50 3.00 3.25630-800 3.25 3.50 3.75 2.75 3.00 3.25800-1000 3.50 4.00 4.25 3.00 3.25 3.501000-1250 4.00 4.50 4.75 3.50 3.75 4.001250-1600 4.50 5.00 5.50 4.00 4.25 4.501600-2000 5.00 5.50 6.00 4.50 5.00 5.502000-2500 6.00 6.50 7.00 5.50 6.00 6.50减少加工余量，使锻件接近零件外形尺寸，一般为普通锻件余量的1/2左右。

无余量等温锻件。

这类锻件绝大部分表面为净锻表面，不用机械加工，只需进行表面处理后便可投入使用，少部分的基准面或装配面处按小余量加放。

铝、镁合金净锻表面余量为0，钛合金依锻后化学洗削量的要求，一般取0.3-0.5mm（单面）。

等温锻件尺寸受锻件的冷却收缩、模具制造误差、模具磨损、模具弹性变形和塑性变形以及工艺各因素的影响，其实际尺寸与理论值存在一定的差异，这种差异是不可避免的，因此为了控制实际尺寸不超过某一范围，通常用尺寸公差给予限制。

目前，国内等温锻锻件尺寸公差没有统一标准，设计时可参照企业标准，其主要用于铝、镁合金等温锻件，如表2所示。

表2 铝、镁合金等温锻件的尺寸公差（2等温锻模具结构较为复杂。

铝、镁合金等温锻模具的投资成本与其常规锻模相比略高一些，但对于那些形状复杂的等温锻件的总加工成本，并不比常规锻时高，有时还低于后者。

而钛合金的等温锻模，因其所用模具材料费用较高，加上加热、保温、控温、气体保护等装置的费用，其模具总费用比常规锻时高一个数量级。

所以，在设计、制造和使用时应充分考虑等温锻模的使用寿命和使用效率，尽量降低锻件制造成本。

因此，选择等温锻工艺及模具设计应遵循以下原则：选择那些形状复杂，在常规锻时不易成形，或需经多火次成形的锻件以及组织、性能要求十分严格的锻件作为等温锻件；选择开式或闭式模锻方法，应根据锻件结构、尺寸及后续加工要求和设备安模空间来确定；模具总体设计应能满足等温锻工艺要求，结构合理，便于使用和维护；锻模工件部分应有专门的加热、保温、控温等装置，并能达到等温锻成形所需的温度；除特殊锻件需专用模具外，模具应设计为通用型；应合理选用模具各部分所用材料，以保证模具零件在不同温度下有可靠的使用性能；等温锻造模具温度高，为防止热量散失和过多地传导给设备，应在模座和底板之间设置绝热层，上下底板还应开水槽通水冷却；同时还应注意电绝缘，以保证设备正常工作和生产人员安全；应考虑导向和定位问题。