控制形成匀细化混合晶界的电流补热式电镦方法及装置

摘要

本发明公开了一种控制形成匀细化混合晶界的电流补热式电镦方法，包括电镦装置，还包括能够随着蒜头部的径向增大而同速进行径向后退的辅热电极，当蒜头部内外部温度差达到100～140℃时，将辅热电极夹持在蒜头部外表面，向辅热电极中通入补热电流，使得电流从辅热电极流经蒜头部外表面，从而对蒜头部外表面进行补热，直到蒜头部外表面温度满足需求。还公开了一种电流式电镦装置，包括直流电源、夹持电极、镦粗缸、砧子缸以及砧子电极，还包括设置在砧子电极与夹持电极之间的能够夹持住蒜头部的辅热电极。本发明能够实现快速补热，补热温度高，能耗低，使得蒜头部形成匀细化的混合晶界，提高电镦件的品质，减少开裂，延长寿命。

权利要求

1.一种控制形成匀细化混合晶界的电流补热式电镦方法，包括电镦装置，所述电镦装置包括直流电源、夹持电极、镦粗缸、砧子缸以及砧子电极；砧子电极的电导率大于镦粗缸；

其特征在于：还包括能够随着蒜头部的径向增大而同速进行径向后退的辅热电极；包括以下步骤：步骤1：安装坯料：将坯料夹持在夹持电极上，坯料一端抵接在镦粗缸上，另一端抵接在砧子电极上；坯料位于镦粗缸的一端为冷料端，坯料位于砧子电极的一端为聚料端；

步骤2：启动直流电源，使得电流流经砧子电极、聚料端、夹持电极，从而形成主加热回路，聚料端通过自阻加热达到塑性变形温度后，在镦粗缸与砧子缸的速度差下，坯料不断从冷料端向聚料端推进，使得聚料端呈现蒜头生长；

步骤3：当蒜头部内外部温度差达到100～140℃时，保持主加热回路工作的同时，将辅热电极夹持在蒜头部外表面，向辅热电极中通入补热电流，使得电流从辅热电极流经蒜头部外表面，从而对蒜头部外表面进行补热，直到蒜头部外表面温度满足需求时停止补热。

2.根据权利要求1所述的控制形成匀细化混合晶界的电流补热式电镦方法，其特征在于：蒜头部外表面温度达到950～1150℃时停止补热。

3.根据权利要求1所述的控制形成匀细化混合晶界的电流补热式电镦方法，其特征在于：补热电流为1～2A/mm2。

4.一种用于权利要求1所述的控制形成匀细化混合晶界的电流补热式电镦方法的电镦装置，包括直流电源、夹持电极、镦粗缸、砧子缸以及砧子电极，砧子电极与夹持电极分别电连接到直流电源的供电正端、供电负端上；砧子电极的电导率大于镦粗缸，其特征在于：还包括设置在砧子电极与夹持电极之间能够夹持住蒜头部的辅热电极；所述辅热电极包括若干个沿蒜头部环形均匀分布的子电极，每个子电极均通过径向伸缩机构固定在电镦装置上；所述子电极所在的环形平面的轴心线与夹持电极的轴线共线；辅热电极电连接到直流电源上的供电正端上。

5.根据权利要求4所述的电镦装置，其特征在于：所述辅热电极包括环状钢圈，所述环状钢圈通过支架固定在电镦装置上；所述子电极环形分布在环状钢圈内，并且各子电极均通过径向伸缩机构连接在环状钢圈内表面。

6.根据权利要求4所述的电镦装置，其特征在于：所述径向伸缩机构为沿环状钢圈径向安装的氮气弹簧。

7.根据权利要求4所述的电镦装置，其特征在于：所述子电极的个数为4个，相邻子电极的夹角为90°。

8.根据权利要求4所述的电镦装置，其特征在于：所述子电极为局部接触式电极。

说明书

控制形成匀细化混合晶界的电流补热式电镦方法及装置

技术领域

[0001] 本发明属于电镦技术领域，涉及一种电镦方法以及一种电镦装置。

背景技术

[0002] 电镦工艺作为响应气门这类局部超大变截面的长杆制件以及需具有高强韧、耐高温、耐蚀等力学、化学性能而应运而生的局部精确聚料制坯工艺。通过在电极端部通以大小
可变直流电，利用砧子电极与坯料间的接触电阻及坯料自身电阻，实现坯料局部快速升温
至热塑性变形温度上，同时在坯料的冷端面施加一定镦粗力，坯料得以不断进入加热区，同
时已加热部位产生局部连续镦粗变形。

[0003] 电镦工艺采用的电镦装置包括相对设置的砧子缸与镦粗缸；砧子缸相对于镦粗缸的端面上设有砧子电极；砧子缸与镦粗缸之间设有夹持电极；还包括直流电源，砧子电极与
夹持电极分别连接在直流电源的两个供电端上。

[0004] 采用上述电镦装置进行电镦时：首先，将坯料水平夹持在夹持电极上，坯料两端分别抵压在砧子电极与镦粗缸上；坯料位于砧子电极一端为聚料端，坯料位于镦粗缸的一端
为冷料端；然后，启动直流电源，使得夹持电极、坯料、砧子电极与直流电源形成闭合回路，
直流电流流经坯料的聚料端，聚料端通过自身电阻以及与砧子电极的接触电阻发热，温度
不断升高，达到塑性变形温度后，镦粗缸以恒定速度向聚料端推进坯料，砧子电极以一定的
速度后退，聚料端不断聚料，从而形成蒜头部。

[0005] 随着聚料的不断进行，聚料端逐渐增大形成蒜头部，由于蒜头部中间大两头小，形状不均匀，电流从砧子电极到夹持电极主要从电阻路径小的蒜头部内部通过，这样就导致
蒜头部内部温度较高，而蒜头部外表面温度较低，随着蒜头部的的不断增大，蒜头部内外温
差也越来越大，这种温度分布的不均匀性则导致了电镦件由于动态再结晶程度分布不均匀
带来的晶粒粗化、晶粒分布不均匀现象。

发明内容

[0006] 针对上述现有技术的不足，本发明提供一种控制形成匀细化混合晶界的电流补热式电镦方法，解决现有技术中电镦过程中蒜头部内外温度不均匀导致的晶粒粗化以及晶粒
分布不均匀的技术问题，能够使得蒜头部产生匀细化的混合晶界，提高电镦件的性能，减少
开裂，延长寿命。

[0007] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种控制形成匀细化混合晶界的电流补热式电镦方法，包括电镦装置，所述电镦装置包括由直流电源、夹持电极、镦粗缸、砧
子缸以及砧子电极；砧子电极的电导率大于镦粗缸；还包括能够随着蒜头部的径向增大而
同速进行径向后退的辅热电极；包括以下步骤：

[0008] 步骤1：安装坯料：将坯料夹持在夹持电极上，坯料一端抵接在镦粗缸上，另一端抵接在砧子电极上；坯料位于镦粗缸的一端为冷料端，坯料位于砧子电极的一端为聚料端；

[0009] 步骤2：启动直流电源，使得电流流经砧子电极、聚料端、夹持电极，从而形成主加热回路，聚料端通过自阻加热达到塑性变形温度后，在镦粗缸与砧子缸的速度差下，坯料不
断从冷料端向聚料端推进，使得聚料端呈现蒜头生长；

[0010] 步骤3：当蒜头部内外部温度差达到100～140℃时，保持主加热回路工作的同时，将辅热电极夹持在蒜头部外表面，向辅热电极中通入补热电流，使得电流从辅热电极流经
蒜头部外表面，从而对蒜头部外表面进行补热，直到蒜头部外表面温度满足需求。

[0011] 优选的，蒜头部外表面温度达到950～1150℃时停止补热。

[0012] 本发明还提供了一种用于上述电镦方法的电镦装置，包括直流电源、夹持电极、镦粗缸、砧子缸以及砧子电极，砧子电极与夹持电极分别电连接到直流电源的供电正端、供电
负端上；砧子电极的电导率大于镦粗缸，其特征在于：还包括设置在砧子电极与夹持电极之
间能够夹持住蒜头部的辅热电极；所述辅热电极包括若干个沿蒜头部环形均匀分布的子电
极，每个子电极均通过径向伸缩机构固定在电镦装置上；所述子电极所在的环形平面的轴
心线与夹持电极的轴线共线；辅热电极电连接到直流电源上的供电正端上。

[0013] 优选的，所述辅热电极包括环状钢圈，所述环状钢圈通过支架固定在电镦装置上；所述子电极环形分布在环状钢圈内，并且各子电极均通过径向伸缩机构连接在环状钢圈内
表面。

[0014] 优选的，所述径向伸缩机构为沿环状钢圈径向安装的氮气弹簧。

[0015] 优选的，所述子电极的个数为4个，相邻子电极的夹角为90°。

[0016] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0017] 1、利用辅热电极对蒜头部外表面进行补热，由于辅热电极夹持在蒜头部外表面，直接与蒜头部接触，减少了热量在传递过程中的散失，升温更加迅速，经过电流补热后，能
够达到更高的温度，并且能耗低。

[0018] 2、蒜头部经过补热后便能提高蒜头部外表面温度，减小蒜头部内部与外表面的温差，从而使得蒜头部外表面晶粒细化，蒜头部混合晶界（包括大角度晶界与小角度晶界）分
布更加均匀。

[0019] 3、在蒜头部外表面温度达到950～1150℃时停止补热，能够保证蒜头部外表面以及蒜头部内部产生较多的孪晶界，晶粒细化能有效降低孪晶片层厚度，使得制件的疲劳寿
命与疲劳耐久极限提高。并且，经过补热后，蒜头部内外部温度分布均匀，蒜头外部的晶粒
尺寸明显降低，并且都能达到孪晶界产生的温度950～1150℃，从而使得蒜头部的孪晶界分
布更加均匀。

[0020] 4、本发明的电镦装置中，砧子电极、蒜头部、夹持电极以及直流电源形成主加热回路；辅热电极、蒜头部、夹持电极以及直流电源形成补热回路；砧子电极的电导率大于镦粗
缸，能够防止电流流向镦粗缸，减少电流损失，提高主加热回路以及补热回路的导电性。

[0021] 5、辅热电极夹持在蒜头部表面，由于从辅热电极经蒜头部表面到夹持电极的电阻路径，小于从辅热电极经蒜头部内部到夹持电极的电阻路径，因此补热电流会流经蒜头部
外表面，而不会从蒜头部内部流过，从而达到只对蒜头部外表面进行补热的目的。

[0022] 6、辅热电极中的子电极沿环形分布，使得蒜头部能够被夹持在子电极围成的圆孔中，这样蒜头部与辅热电极接触更加均匀，使得补热电流能够更加均匀的流经蒜头部外表
面，补热后，蒜头部温度分布根据均匀。

[0023] 7、子电极上连接径向伸缩机构，能够使得子电极随着蒜头部的径向增大而沿径向后退，避免对蒜头部的增大造成阻碍。采用氮气弹簧作为径向伸缩机构，体积小、弹力大、工
作行程长，工作平稳，使用寿命长。

附图说明

[0024] 图1是电流补热式电镦装置的结构示意图；

[0025] 图2是温度差达到100℃时开始进行补热的三种补热电流下的补热前后对比图；

[0026] 图3是温度差达到120℃时开始进行补热的三种补热电流下的补热前后对比图；

[0027] 图4是温度差达到140℃时开始进行补热的三种补热电流下的补热前后对比图。

具体实施方式

[0028] 具体实施方式1

[0029]  本具体实施方式的坯料选用SNCrW耐热合金杆坯，直径为23mm，长度为383mm，杆坯总行程为286mm。由于蒜头部内部温度无法直接测量，一般采用在有限元分析软件中通过
数值模拟的方式来获取蒜头部内部以及外表面的温度，然后再将模拟出来的内部温度以及
外表面温度求差，从而得到蒜头部内部与外表面的温差。具体实施方式1～3均采用非线性
有限元分析软件来获取蒜头部内部与外表面的温度差。

[0030] 一种控制形成匀细化混合晶界的电流补热式电镦方法，包括电镦装置所述电镦装置包括由直流电源、夹持电极、镦粗缸、砧子缸以及砧子电极；砧子电极的电导率大于镦粗
缸；还包括能够随着蒜头部的径向增大而同速进行径向后退的辅热电极；包括以下步骤：

[0031] 步骤1：安装坯料：将坯料夹持在夹持电极上，坯料一端抵接在镦粗缸上，另一端抵接在砧子电极上；坯料位于镦粗缸的一端为冷料端，坯料位于砧子电极的一端为聚料端；

[0032] 步骤2：启动直流电源，使得电流流经砧子电极、聚料端、夹持电极，从而形成主加热回路，聚料端通过自阻加热达到塑性变形温度后，在镦粗缸与砧子缸的速度差下，坯料不
断从冷料端向聚料端推进，使得聚料端呈现蒜头生长；

[0033] 步骤3：当蒜头部内外部温度差达到100℃时，保持主加热回路工作的同时，将辅热电极夹持在蒜头部外表面，向辅热电极中通入补热电流，使得电流从辅热电极流经蒜头部
外表面，从而对蒜头部外表面进行补热，直到蒜头部外表面温度达到950～1150℃时停止补
热。

[0034] 本具体实施方式中，分别通入3种不同的补热电流进行了3组补热电镦实验，第一组通入1 A/mm2的补热电流，第二组通入1.5A/mm2的补热电流,第三组通入2A/mm2的补热电
流，电镦聚料完成时，取蒜头部同一径向上分布的16个分析点，统计各组补热电流下的各分
析点发生动态再结晶后的平均温度，并将其与未进行补热的原始镦粗的原始温度件进行比
较，如下表1所示：

[0035] 表1.辅助电流补热有限元模拟后温度数据对照表

[0036]分析点编号 原始温度 加载辅助电流1A/ mm2后的分析点 加载辅助电流1.5A/ mm2后的分析点 加载辅助电流2A/ mm2后的分析点（℃） 温度（℃） 温度（℃） 温度（℃）
  1018.26 1008.795 1020.427 1028.258
2 1016.318 1010.96 1021.228 1028.786
3 1014.449 1005.564 1018.976 1027.807
4 1007.487 1003.711 1015.954 1024.474
5 1002.669 1002.398 1010.113 1017.048
6 989.1217 1000.448 1008.007 1014.751
7 971.6302 997.8194 1003.603 1009.525
8 962.6806 993.6779 997.4369 1002.422
9 952.7224 991.5963 994.0401 1001.314
10 946.8168 983.0838 984.1304 990.2147
11 945.4322 978.9916 979.7542 985.277
12 945.252 974.3003 975.0094 980.2358
13 944.9564 968.4332 969.5518 974.7681
14 944.3626 962.8251 963.9403 968.7505
15 944.1513 958.7761 959.5071 963.859
16 941.7865 957.6653 957.9793 961.8125

[0037] 由表1可得以下结论：

[0038] ① 通过辅助电极补热，坯料蒜头部外部分析点的温度得到有效提升，内外部分析2
点的温度差有了明显的降低，当加载的辅助电流为1A/mm时，电镦蒜头部的内外部温度最
为均匀，由该方案的平均晶粒尺寸图叶可以看到此时的平均晶粒尺寸差最小。

[0039] ② 通过辅助电极补热，坯料蒜头部外部分析点的平均温度都提高至该金属孪晶产生的温度范围。在晶粒匀细化的同时，晶粒内部还形成一定数量的非共格孪晶界。

[0040] 统计各组补热电流下的最终平均晶粒尺寸，将其与未进行补热的镦粗件进行比较，如图2所示，从图2可知，三种补热电流下0到9号分析点平均晶粒尺寸大于原始晶粒尺寸
（在辅助电极施加补热电流条件下，蒜头内部温度有一定程度的升高，动态再结晶晶粒长
大，因而晶粒尺寸略大于原始晶粒尺寸），9到16号分析点平均晶粒尺寸小于原始晶粒尺寸，
结论：虽然蒜头内部晶粒尺寸有一定增加，但外部晶粒尺寸下降显著，内外部晶粒尺寸在合
理范围内趋于相近，平均晶粒尺寸呈良好的下降趋势。

[0041] 通过补热能够提高电镦件性能的原因在于：控制内外表面温度在适当范围内，能够保证蒜头部外表面以及蒜头部内部产生较多的孪晶界，其与动态再结晶晶粒晶界及初始
奥氏体晶粒晶界伴生，孪晶界（小角度晶界）的存在能有效抑制电镦件服役过程中内部晶间
位错的迁移，使得混合晶界更加稳定，混合晶界越稳定。调控电镦件具备均匀、细小的动态
再结晶晶粒晶界、初始奥氏体（近似）等轴晶粒晶界、孪晶晶界的混合晶界，将提升电镦件强
韧性以及抗疲劳、抗蠕变性能。

[0042] 如图1所示，本具体实施方式中采用如下电流补热式电镦装置，包括直流电源、夹持电极5、镦粗缸4、砧子缸以及砧子电极7，砧子电极7与夹持电极5分别电连接到直流电源
的供电正端、供电负端上；砧子电极7的电导率大于镦粗缸4，还包括设置在砧子电极7与夹
持电极5之间的辅热电极2；所述辅热电极2包括若干个沿蒜头部环形均匀分布的子电极，每
个子电极均通过径向伸缩机构固定在电镦装置上；所述子电极所在的环形平面的轴心线与
夹持电极5的轴线共线；辅热电极2电连接到直流电源上的供电正端上。

[0043] 将坯料3夹持安装后，砧子电极7、蒜头部、夹持电极5以及直流电源形成主加热回路；辅热电极2、蒜头部、夹持电极5以及直流电源形成补热回路；砧子电极7的电导率大于镦
粗缸4，能够防止电流流向镦粗缸4，减少电流损失，提高主加热回路以及补热回路的导电
性。为了满足电流补热式电镦装置的中主加热回路以及补热回路电压需求，在主加热回路
中接入第一变压器6，在补热回路中接入第二变压器1。

[0044] 本具体实施方式中，所述辅热电极2包括环状钢圈，所述环状钢圈通过支架固定在电镦装置上；所述子电极环形分布在环状钢圈内，并且各子电极均通过径向伸缩机构连接
在环状钢圈内表面。所述径向伸缩机构为沿环状钢圈径向安装的氮气弹簧。所述子电极的
个数为4个，相邻子电极的夹角为90°，使得蒜头部补热更加均匀。所述子电极为局部接触式
电极，方便进行夹持。

[0045] 具体实施方式2

[0046] 本具体实施方式中，分别通入3种不同的补热电流进行了3组补热电镦实验，第一2 2 2
组通入1 A/mm的补热电流，第二组通入1.5A/mm的补热电流,第三组通入2A/mm的补热电
流，本具体实施方式与具体实施方式1所不同的是，本具体实施方式是在蒜头部内外部温度
差达到120℃时开始补热的。

[0047] 电镦聚料完成时，取蒜头部同一径向上分布的16个分析点，统计各组补热电流下的最终平均晶粒尺寸，将其与未进行补热的镦粗件进行比较，如图3所示，从图3可知，三种
补热电流下0到8号分析点平均晶粒尺寸大于原始晶粒尺寸（在辅助电极施加补热电流条件
下，蒜头部内部温度有一定程度的升高，动态再结晶晶粒长大，因而晶粒尺寸略大于原始晶
粒尺寸），9到16号分析点平均晶粒尺寸小于原始晶粒尺寸，结论：虽然蒜头部内部晶粒尺寸
有一定增加，但外部晶粒尺寸下降显著，内外部晶粒尺寸在合理范围内趋于相近，平均晶粒
尺寸呈良好的下降趋势。

[0048] 具体实施方式3

[0049] 本具体实施方式中，分别通入3种不同的补热电流进行了3组补热电镦实验，第一组通入1 A/mm2的补热电流，第二组通入1.5A/mm2的补热电流,第三组通入2A/mm2的补热电
流，本具体实施方式与具体实施方式1所不同的是，本具体实施方式是在蒜头部内外部温度
差达到140℃时开始补热的。

[0050] 电镦聚料完成时，取蒜头部同一径向上分布的16个分析点，统计各组补热电流下的最终平均晶粒尺寸，将其与未进行补热的镦粗件进行比较，如图4所示，从图4可知，三种
补热电流下0到8号分析点平均晶粒尺寸大于原始晶粒尺寸（由于内部温度上升，动态再结
晶晶粒长大，因而尺寸较略大于原始晶粒尺寸），9到16号分析点平均晶粒尺寸小于原始晶
粒尺寸，结论：虽然蒜头内部晶粒尺寸有一定增加，但外部晶粒尺寸下降显著，内外部晶粒
尺寸在合理范围内趋于相近，平均晶粒尺寸呈良好的下降趋势。

[0051] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术
方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发
明的权利要求范围当中。