合金锭的制造方法与流程

本发明涉及一种通过热锻造制造具有圆棒状的合金锭的方法，并且特别地涉及一种制造如下的合金锭的方法：该合金锭包括诸如时效硬化高合金钢或镍基高合金或钴基高合金等的在热锻造时具有相对高的变形抗力的难以加工的合金。
背景技术：
：在通过热锻造制造具有圆棒状的合金锭的方法中，将合金锭加热并进行锻造加工，并且在合金锭的温度降低到预定温度之前完成锻造加工，或者将合金锭再加热并重复地进行锻造加工。考虑到锻造加工中的效率，希望通过对合金锭进行一次加热而不再加热来完成预定量的锻造加工。在这方面，已经提出了一种使合金锭的温度的降低最小化以保证长加工时间的锻造方法。例如，专利文献1公开了一种在通过利用耐热陶瓷纤维材料包覆诸如超耐热合金等的合金锭(工件)使温度的降低最小化的同时进行热锻造的锻造方法。首先，制备由耐热陶瓷纤维材料形成的保温片(heat-retainingsheet)并覆盖合金锭的外周面。此外，通过使用不锈钢箔和不锈钢带固定保温片。然后，将所得物加热，并且进行高速四面锻造使得通过一次加热就可进行多遍锻造加工。与外周面未覆有保温片的情况相比，由于保温片的保温效果能够使合金锭的温度的降低速率变慢，因此能够在一次加热之后，在温度降低到预定温度为止获得长加工时间，从而能够获得大量的锻造加工。另外，如果预先有意地调整保温片使得其变得容易损坏，则可通过仅使加工外周刀具与保温片接触从而在不与精加工表面干涉的情况下使保温片掉落来取下保温片。然而，如同样在专利文献1中所公开地，在诸如超耐热合金等的在锻造时具有相对高的变形抗力的高合金的情况下，由于在锻造加工期间温度的降低而容易产生龟裂。由于在难以加工的合金的锻造加工期间温度的降低而产生的龟裂不仅容易产生在具有相对高的变形抗力的合金中，而且容易产生在诸如时效硬化合金等的合金中，该时效硬化合金在一定温度或更低的温度出现下析出相，使变形抗力迅速增大。在上述合金的锻造加工中，需要始终严格地将锻造温度控制在预定温度或更高；然而，如专利文献1中所公开的简单地将保温片围绕合金锭卷绕的方法中，由于保温片对于合金锭的变形的追随性不足，在锻造加工过程中，合金锭与保温片之间会产生间隙或者保温片掉落，因而，在一些情况下不可能稳定地保持合金锭的热量。在这方面，已经提出将合金锭装配到管中然后进行锻造加工的方法，即已经提出围绕合金锭设置由金属覆层形成的保温构件并且对所得物进行锻造加工的方法。例如，专利文献2公开了“插入铸造”方法，其中由时效硬化镍基超耐热合金形成的圆棒状的合金锭被插入模具中以便在不与模具的内周面接触的状态下直立在底部上，并且将熔融保温金属浇注到合金锭与模具之间的间隙中，从而通过保温金属构件“插入铸造”合金锭。从模具中取出的合金锭与保温金属构件一起热锻造。与在相关技术中将合金锭装配到管中的方法相比，保温金属构件和合金锭能够充分地彼此贴附并且金属能够融化并彼此附着，因此能以优良的追随性一体地锻造两个构件。另外，使用具有比合金锭小的变形抗力的不锈钢或耐热钢作为保温金属构件，并且使保温金属构件与合金锭之间的在锻造温度下的变形抗力的差异最小化到预定范围内，从而防止仅保温构件被加工。根据上述方法，能够更可靠地使合金锭的温度的降低最小化，因此能够稳定且有效地进行热锻造。专利文献1：jp-a-2001-79633专利文献2：jp-a-s62-3842技术实现要素：同时，通过在不用再加热圆棒状合金锭的情况下在一个方向上连续地进行锻造加工能够获得均匀的锻造材料。然而，在这种连续加工中在纵向上可能产生热梯度，因此，尤其是在长的合金锭的情况下，可以考虑使用上述“插入铸造锻造”。另外，近来进行热锻造的难以加工的合金的性能趋于进一步改善，并且稳定地进行热锻造的温度范围趋于明显变窄。本发明是鉴于上述情况而完成的，并且其目的在于提供合金锭的制造方法，该合金锭在插入铸造锻造时具有改善的保温性以允许进行长时间热锻造，并且该合金锭具有优良的制造性而能够以较少的加工步骤获得预定量的锻造加工。根据本发明，提供一种合金锭的制造方法，所述方法为通过热锻造制造圆棒状的合金锭的方法，所述方法包括：在圆棒状的初始合金锭的一端被保持的状态下将该初始合金锭悬置在筒状的模具中；将由保温金属形成的熔融金属浇注到所述筒状的模具中以便将所述保温金属的覆层施加至所述初始合金锭的整个外周，以获得锻造合金锭；从所述筒状的模具取出所述锻造合金锭；然后在把持所述锻造合金锭的作为把持部分的端部的状态下对所述锻造合金锭进行热锻造；以及去除所述保温金属的所述覆层。根据本发明，保温金属的覆层能够施加至圆棒状的初始合金锭的整个表面、特别是施加至热容易被把持工具吸收且温度降低相对迅速的把持部分。因此，可将初始合金锭长时间地保持在预定温度或更高。因此，能够在不用反复地进行加热步骤的情况下在一个方向上连续地进行锻造加工，因而能够以较少的加工步骤获得期望的量的锻造加工。另外，保温金属的覆层能够优选地施加至由于锻造而造成复杂的多轴变形的两端部，因此能够防止由于通过长时间热锻造导致保温金属的覆层的损坏而使得初始合金锭暴露在外。可对对局部温度降低敏感的具有高性能的难以加工的合金进行热锻造本发明可以进一步包括：在从所述筒状的模具取出所述锻造合金锭之后，通过锻造由所述保温金属包覆的所述锻造合金锭的一部分以便减小该部分的直径来形成所述把持部分；将所述把持部分插入环状模的中心孔中；以及然后通过镦锻在轴向上压缩所述初始合金锭。关于在轴向上的压缩变形加工，在轴向上压缩初始合金锭以便增加直径，然后能够增加随后的热锻造中的锻造比。根据本发明的该方面，防止在初始合金锭的端部的保温金属的覆层变形，并且充分地锻造了初始合金锭。在本发明中，初始合金锭可以由时效硬化合金形成，并且可以在850℃或更高的温度下进行热锻造。根据本发明的该方面，将初始合金锭保持在高于时效硬化温度的温度范围内，并且使初始合金锭的变形抗力的增加最小化。因此，可更可靠地防止如下情况的发生：仅保温金属的覆层损坏和变形以使初始合金锭被暴露在外，从而导致局部温度降低。即可通过在插入铸造锻造中改善保温性而更可靠地对具有较好性能的难以加工的合金进行热锻造。在本发明中，保温金属可以由不锈钢形成。根据本发明的该方面，可更可靠地将热锻造的压缩力传递到由保温金属的覆层覆盖的初始合金锭，即使在热锻造时温度相对高的情况下也不会损坏保温金属的覆层。此外，可用相对低的成本施加保温金属的覆层。在本发明中，锻造合金锭的外径可以等于或小于初始合金锭的外径的1.3倍。根据本发明的该方面，可更可靠地将热锻造的压缩力传递到由保温金属的覆层覆盖的初始合金锭。附图说明图1是本发明的一个实施方式中的合金锭的制造方法的流程图。图2是形成保温金属的覆层之后的合金锭的截面图。图3是热锻造之前的合金锭的截面图。图4是受到镦锻的合金锭的截面图。图5是示出仿真中的初始合金锭的最外层的温度变化的图表。具体实施方式首先，将基于图1参照图2至图4说明根据本发明的一个实施方式的合金锭的制造方法。如图1所示，首先制造初始合金锭(s1)。在初始合金锭(primaryalloyingot)的制造中，例如，能够通过使用真空电弧重熔方法(var)获得具有圆棒状的初始合金锭。这里使用的合金可以是在热锻造时具有相对高的变形抗力的所谓的“难以加工的合金”的合金。即难以加工的合金是当在热锻造期间温度降低时变形抗力增加而使得合金难以锻造并且容易产生龟裂的合金。这种难以加工的合金的示例包括具有窄可锻造温度范围的诸如镍基合金、钛基合金以及钴基合金等的超耐热合金。难以加工的合金的示例还包括诸如时效硬化合金的合金，该时效硬化合金在一定温度或更低温度下出现析出相而使得变形抗力迅速增大。注意，本实施方式旨在通过使初始合金锭在热锻造期间温度的降低最小化而能够长时间进行热锻造，并且不限制使用其它合金作为初始合金锭。接着，在初始合金锭的整个外周形成保温金属的覆层(s2)。如图2所示，初始合金锭1经由悬置金属体2通过夹具5支撑，悬置金属体2固定在初始合金锭1的一端部并悬置在具有内部空间的圆筒状的模具(cylindricalmold)6中。由保温金属形成的熔融金属浇注在初始合金锭1周围。熔融金属凝固以提供保温金属的覆层3，该覆层3被施加至初始合金锭1的包括外侧圆周部、下部以及上部的整个外周。即通过使用保温金属的覆层3来“插入铸造”初始合金锭1。由此，保温金属的覆层3能够优选地附着于初始合金锭1。特别地，在保温金属的覆层3中，在悬置的初始合金锭1的下侧(底侧)赋予过厚部(excessthickness)3a。注意，模具能够形成为方块(例如正方形截面、六边形截面或八边形截面)。这里，保温金属的优选示例包括在热锻造时能够赋予初始合金锭1足够的锻造量的金属。即优选采用如下的金属：该金属在进行热锻造的温度范围内具有比初始合金锭1低的变形抗力，即使当该金属在前层侧作为覆层3且该金属的温度低于初始合金锭1的温度时也不阻碍热锻造，并且该金属具有高变形抗力以便使初始合金锭1充分地锻造。另外，优选采用易于热处理的金属使得在热锻造时不会由于加热或者冷却造成脆化。此外，优选采用在加热时氧化皮损失(由于形成氧化膜而导致的损失)小的金属，并且还优选采用相对便宜的金属。这种保温金属的示例包括诸如sus304的不锈钢。注意，相同的材料可以用于上述悬置金属体2。保温金属的覆层3凝固之后，从模具6中取出锻造合金锭10，并且根据需要在锻造合金锭10上形成钳保持部(tonghold)(s3)。详细地，如图3所示，以如下方式形成钳保持部：过厚部3a的一部分在从锻造合金锭10的底侧的端面隔开预定距离的位置处加工颈部，在使保温金属的覆层3相对于初始合金锭1的底侧的端面保留预定轴向厚度的同时对该部分进行延伸锻造以缩小该部分的直径使得钳保持部形成为台阶状。利用这种构造，形成易于由诸如操纵器等的用于热锻造的把持工具把持的钳保持部4。在此，通过减小直径获得钳保持部4，因此优选通过锻造增加强度。此外，优选适当地处理端部，例如对端部优选地进行气体切割。注意，悬置金属体2仍然固定于初始合金锭1。这里，在锻造合金锭10的直径足够小并因此容易由把持工具把持的情况下，从模具6中取出的状态下的过厚部3a的上述部分能够作为把持部分而不用形成钳保持部。接着，根据需要在孔台上镦锻锻造合金锭10(s4)。也就是，如图4所示，以如下方式进行镦锻：将钳保持部4插入环状模(ring-shapeddie)20的中心孔21中以防止变形，并且同时由加压机23从顶侧经由具有板状的上砧22压缩锻造合金锭10以便使锻造合金锭10被压缩变形。在初始合金锭1所需的锻造比能够仅通过下述的热锻造赋予的情况下可以省略镦锻。注意，典型地在形成钳保持部之前进行镦锻；然而，在本实施方式中，如果在形成钳保持部之前进行镦锻，存在不能赋予初始合金锭1足够的压缩变形量的担心。即，如果在形成钳保持部之前进行镦锻，初始合金锭1嵌入由在热锻造时变形抗力小的保温金属形成的过厚部3a中从而造成过厚部3a大幅变形，因此变形抗力大的初始合金锭1的变形量变小。在这方面，如上所述，钳保持部4首先形成为台阶状，然后通过使用台阶部在孔台上进行镦锻以便减小环状模20与初始合金锭1之间的过厚部3a，并且在轴向上进行压缩变形加工以便赋予初始合金锭1足够的变形量。另外，进行热锻造(s5)。在热锻造中，通过诸如操纵器等的把持工具把持作为把持部分的过厚部3a或钳保持部4，并且通过自由锻造进行延伸锻造成所谓的悬臂支架。优选在850℃或更高的温度下进行热锻造。在热锻造时，具有比空气高的导热性的把持工具经由把持部分吸收锻造合金锭10的热。与之相比，在本发明中，保温金属的覆层3施加至初始合金锭1的整个外周、特别是施加至把持部分，因此可进一步使初始合金锭1的温度的降低最小化。换言之，可长时间将初始合金锭1的温度保持在可锻造温度范围内而不用进行再加热，因此可用较少的加热次数获得预定量的锻造加工。另外，在悬臂支架(cantileversupport)的单向锻造(one-wayforging)中，可省略两端被交替把持的切换操作，因此能够缩短操作时间。此外，在把持部分由钳保持部4形成的情况下，操纵变得较为容易从而能够缩短操作时间。同时地，在许多情况下诸如钳保持部等的把持部分典型地通过使用进给头而形成于钢锭的顶侧；然而，在本实施方式中，如上所述把持部分形成于锻造合金锭10的底侧。当初始合金锭1悬置在模具6中时，模具6中底侧设置的空间能够确保对应于把持部分的过厚部3a所需的尺寸。因此，可形成具有用于使初始合金锭1的把持部分侧的端部的温度的降低最小化的期望形状的把持部分。由此，形成钳保持部4时，还可以将过厚部3a加工成颈部使得保温金属的覆层3相对于初始合金锭1的底侧的端面在轴向上保持预定的厚度。注意，还可在顶侧形成过厚部以形成把持部分；然而，为了相对容易地控制尺寸，过厚部优选地形成于底侧。初始合金锭1的顶侧的端面同样由保温金属的覆层3覆盖并且在热锻造期间被保温。具有圆棒状的锻造合金锭10的端部的温度比中央部的温度容易降低，因此优选使在端面侧的保温金属的覆层3的过厚部的尺寸大于外周的保温金属的覆层3的尺寸。最后，通过机械加工等去除保温金属的覆层3(s6)，从而获得初始合金锭1的锻造体。如上所述，根据本实施方式，保温金属的覆层3施加至整个外周、特别是施加至温度降低相对迅速的把持部分，因此可在热锻造期间使初始合金锭1的温度的降低最小化。即通过改善插入铸造锻造中的保温性，使初始合金锭1的温度的降低最小化，因此允许长时间热锻造而不用再加热，并且能够以较少的加工步骤获得预定量的锻造加工。此外，保温金属的覆层3能够优选地附着于初始合金锭1的两端部，这由于锻造而可能造成复杂的多轴变形(multi-axialdeformation)，因此当锻造加工的量通过长时间热锻造而变大时，能够防止保温金属的覆层3被损坏并且能够防止初始合金锭1被暴露在外。因此，还可对对局部温度降低敏感的高性能的难以加工的合金进行同样的热锻造。注意，在锻造合金锭10中，保温金属的覆层3的厚度具有优选范围。在图3中，保温金属的覆层3的厚度t定义为从锻造合金锭10的直径d1减去初始合金锭1的直径d2然后将得到的值除以2而获得的值。当热从保温金属的覆层3的表面散到大气中时，锻造合金锭10造成温度从表面的附近开始降低。这里，在厚度t的值小的情况下，初始合金锭1的最外层的温度的降低变快，并且存在保持在可锻造温度范围内的时间减少的担心。另一方面，在厚度t的值大的情况下，由于初始合金锭1与保温金属的覆层3之间的变形抗力的差异使得保温金属的覆层3大幅变形，在保温金属的覆层3的表面上容易产生龟裂，保温金属的覆层3从产生龟裂的部分损坏，从而在初始合金锭1中发生局部温度降低。在这方面，检查保温金属的覆层3的外径、即锻造合金锭10的直径d1和初始合金锭1的直径d2之间的关系。注意，使用时效硬化的镍基合金作为初始合金锭1，并且使用不锈钢(sus304)作为用于覆层3的保温金属。如表1所示，对于直径d1和直径d2的各种组合，通过上述方法获得锻造合金锭10并且通过三次加热(加热次数：三次)进行热锻造，然后评价保温金属的覆层3上是否产生龟裂并记录结果。即将在保温金属的覆层3的外观中未发现龟裂的情况记为“a”，作为优良状态，并且把发现龟裂的情况记为“b”，作为缺陷状态。注意，在热锻造中，加热温度设定在1100℃至1150℃的范围内。表1d1d2td1/d2评价试验1600460701.3a试验265052562.51.2a试验3650550501.2a试验46004001001.5b试验5700485107.51.4b在将d1/d2的比设定为1.2或1.3的试验1至试验3中未产生龟裂。另一方面，在将d1/d2的比设定为1.5和1.4的试验4和试验5中在保温金属的覆层3上观察到龟裂。即，保温金属的覆层3几乎不会产生龟裂的d1/d2的比为等于或小于1.3。在图5中，当将d1/d2的比分别设定为1.1、1.2、1.3和1.4时，初始合金锭1的最外层的温度降低的仿真结果分别表示为曲线a、b、c和d。在该仿真中，加热温度设定为1120℃，并且直径d1设定为20英寸(大约500mm)。此时，在从加热炉取出合金锭之后，由一次加热提供的锻造操作所需的时间共大约十分钟，包括传送时间。在这十分钟期间，可以看出合金锭的温度能够保持在作为可锻造温度范围的1050℃或更高的温度的情况为将d1/d2的比设置为等于或大于1.2的曲线b至曲线d的情况。基于如上所述得到的结果，为了使保温金属的覆层3上的龟裂最小化，优选地将d1/d2的比设定为1.3或更小，并且为了使初始合金锭1的温度的降低最小化，优选地将d1/d2的比设定为1.2或更大。如上所述，已经说明了根据本发明的代表性实施方式；然而，本发明不限于此。在不脱离所附权利要求的范围的情况下，本领域技术人员能够找到各种可选的实施方式。本申请基于2016年1月28日递交的日本专利申请2016-014458号，其内容通过引用并入本文。附图标记说明1初始合金锭3保温金属的覆层4钳保持部10锻造合金锭当前第1页12