UNS N06625合金球體模鍛工藝研究

梁曉輝  任書旺  范芳雄  陳帥超  朱曉鋒

（洛陽雙瑞特種裝備有限公司  河南  洛陽  471800）

摘  要：本文闡述了UNS N06625合金的特點(diǎn)�；�于Dyform軟件平臺(tái)，建立了球體的有限元模型。通過運(yùn)用數(shù)值模擬方法，研究了球體模鍛成形過程，實(shí)驗(yàn)成形出綜合質(zhì)量良好的球體模鍛件。

關(guān)鍵詞：UNS N06625合金；球體；模鍛；數(shù)值模擬

1 引言

本文基于耐蝕合金球閥用UNS N06625合金球體研制項(xiàng)目，介紹UNS N06625材料的特點(diǎn)，通過有限元分析方法模擬了球體模鍛過程。

UNS N06625合金是是一種奧氏體鎳鉻鉬鈮合金，屬于面心立方結(jié)構(gòu)。物理性能如下：密度ρ:8.44g/cm3，熔點(diǎn)：1280~1350℃，磁導(dǎo)率:1.0006�；瘜W(xué)成分如下：C＜0.10%，Cr：20.0%~23.0%，Mo：8.0%~10.0%，Nb：3.15%~4.15%，Ni＞58%，Al+Ti＜0.40%，Mn≤0.50%，S≤0.015%，P≤0.015%。

UNS N06625合金的超高合金含量使其具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和耐腐蝕性能。Mo、Co原子在基體相中的固溶強(qiáng)化使材料具有高強(qiáng)度性能，不需要做沉淀硬化處理。Ni和Cr可以耐氧化性化學(xué)品，而高Ni和Mo含量可以耐非氧化性環(huán)境；高M(jìn)o含量可以阻止點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕的發(fā)生；高Ni含量又使該合金具有高的抗氯化物應(yīng)力腐蝕開裂能力；Nb的穩(wěn)定化效果可使合金在焊接過程中的防止敏化，從而阻止晶間腐蝕的發(fā)生［1］［2］［3］。

UNS N06625合金優(yōu)良的抗腐蝕性能可以適用極其惡劣環(huán)境，從高氧化性到中等還原性的各種腐蝕環(huán)境中均有很好的耐蝕性，在海水環(huán)境中耐Cl-的局部腐蝕（點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕），具有高的腐蝕疲勞強(qiáng)度及耐氯離子應(yīng)力腐蝕開裂性能。

UNS N06625合金適用溫度范圍非常廣泛，在低溫至1093℃的溫度范圍內(nèi)均具有很高的強(qiáng)度和韌性，還具有很好的抗疲勞性能。低溫環(huán)境下具有優(yōu)良的沖擊韌性值，在1093℃以下具有優(yōu)良的耐高溫氧化和抗疲勞性能。與大部分高溫合金相比，UNS N06625合金具有更為優(yōu)良的循環(huán)氧化和冷卻性能。

此外，UNS N06625合金還具有優(yōu)異的焊接性能，采用常規(guī)的焊接方法和工藝就可以實(shí)現(xiàn)與其他材料的異種焊接，不需要在焊后進(jìn)行熱處理即可保持高強(qiáng)度和高韌性。諸多優(yōu)良使用性能使得UNS N06625合金廣泛應(yīng)用在潛艇、海洋儀器元件、管道波紋管、排氣管道和各種化學(xué)工藝環(huán)境中。

但由于UNS N06625合金元素多，合金含量高，熔點(diǎn)較低，再結(jié)晶溫度高，熱加工溫度范圍窄，高溫下變形抗力大，鍛造過程中對(duì)設(shè)備的噸位要求較高。鍛造過程中因變形不均勻等容易出現(xiàn)混晶現(xiàn)象，影響工件性能。且材料為奧氏體單相合金，在熱處理過程中不發(fā)生相變，不能通過熱處理來細(xì)化晶粒，僅能通過合理控制熱加工過程來獲得較為均勻細(xì)小的晶粒。所以鍛造工藝對(duì)工件的組織和性能影響很大。

目前，國內(nèi)關(guān)于UNS N06625合金模鍛成型的研究較少，技術(shù)條件和工藝不成熟，對(duì)UNS N06625合金模鍛分型面和模具設(shè)計(jì)等鍛造方法的研究主要有兩種方式：工藝試驗(yàn)和數(shù)值模擬。但由于工藝試驗(yàn)需很高的材料、人工成本，因此采用數(shù)值模擬方法對(duì)UNS N06625合金模鍛進(jìn)行研究意義重大。

2 產(chǎn)品參數(shù)

球體是球閥中的關(guān)鍵零件，通過閥桿帶動(dòng)，繞閥體的中心線做旋轉(zhuǎn)達(dá)到開啟和關(guān)閉球閥的作用。結(jié)構(gòu)形狀為球狀帶凸臺(tái)的工件，本文研究的球體幾何模型凈尺寸見下圖1。

工件數(shù)量較多，而材料合金含量高，價(jià)格極其昂貴，因此選用模鍛成型方法。模鍛成型生產(chǎn)效率高，表面質(zhì)量高，加工尺寸小，不僅可以節(jié)約原材料成本，也可以減少機(jī)加工工時(shí)。

3 模型建立

3.1 有限元模型的建立

在UG三維造型軟件建立坯料、上模和下模的三維實(shí)體模型，并保存為STl格式，通過Dyform-3D前處理器中的模型輸入接口，得到了有限元軟件中的三維實(shí)體模型，如圖2所示。坯料采用彈塑性有限元模型，應(yīng)用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)劃分網(wǎng)格，由于不考慮上模和下模的受力和變形情況，故對(duì)上模和下模定義為剛性體。

3.2 材料模型的建立

采用GLeeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)，選取UNS N06625材料從接近再結(jié)晶溫度到鍛造加熱溫度范圍內(nèi)的六個(gè)溫度點(diǎn)950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃溫度、變形速率為1 S-1、5S-1、10 S-1條件下進(jìn)行不同溫度不同應(yīng)變速率的高溫壓縮試驗(yàn)，采集了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定了流動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變速率與溫度的關(guān)系，建立了球體模鍛的材料模型。另外還得到了不同溫度下的泊松比、楊氏模量、熱導(dǎo)率，比熱容和輻射系數(shù)等[2]。

4 有限元分析

4.1 模擬過程

模擬過程中，其運(yùn)動(dòng)關(guān)系定義為，下模靜止不動(dòng)， 上模為主動(dòng)件（Primary Die），坯料為從動(dòng)件（slave）。屈服準(zhǔn)則采用Von.mises 屈服準(zhǔn)則。

首先上模向下運(yùn)動(dòng)，下模始終固定不動(dòng)。成型初期，坯料上端首先與上模接觸；成型中期，上模繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，此過程中上模始終對(duì)坯料施加壓應(yīng)力，使坯料塑性變形進(jìn)而充滿模具型腔。模擬成型過程見附圖3。下面對(duì)以成型情況最好的1120℃情況介紹。

4.2 充型情況

由圖4可以看出，球體整體成型良好，凸臺(tái)軸端面充型完全，且沒有表面缺陷存在。

4.3 等效應(yīng)變場(chǎng)

圖 5給出了UNS N06625合金等效應(yīng)變場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果, 最大應(yīng)變分布主要集中在球體的凸臺(tái)軸與球體球面相交的部位，另外在上模和下模部位接觸的坯料，等效應(yīng)變分布較小。

4.4 速度場(chǎng)和溫度分布情況

圖6為速度場(chǎng)分布云圖，可以看出坯料在模具的成形作用下的流動(dòng)情況。圖7為溫度場(chǎng)分布云圖，球體在成形后的最高溫度在球體中心面區(qū)域處，主要是由于此處材料塑性變形大，抗力大，形成較多的變形熱。

4.5 成形載荷曲線

圖8為成型載荷隨行程變化曲線。螺旋壓力機(jī)的變形速率一般為5 S-1，在此應(yīng)變速率下625合金在1120℃左右加熱時(shí)的變形抗力為320.16mpa, 模鍛設(shè)備噸位G=kA*σ/10000。

其中 G表示設(shè)備壓力、A表示鍛件投影面積（包括飛邊倉面積）、k設(shè)備選擇裕量（通常選擇1.5-2.5）、σ表示合金變形抗力。

設(shè)備噸位（最小）G=1.5*3.14*48.5*48.5*320.16/10000 =354T，所得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際模擬結(jié)果一致。

5模鍛過程

試驗(yàn)用坯料采用φ75*120鍛造圓棒，模具分型面選擇在過凸臺(tái)軸心線所在平面，凸臺(tái)部位的軸向方向與成型設(shè)備運(yùn)動(dòng)方向垂直，與模擬過程相同，采用400T螺旋壓力機(jī)。采用中頻感應(yīng)爐加熱，感應(yīng)頻率調(diào)節(jié)范圍800-1200 HZ，加熱過程采用紅外測(cè)溫儀測(cè)溫，準(zhǔn)確度：±1%（200～1300℃），鐓粗比為1.6。球體的鍛坯圖見圖9。

經(jīng)過890℃/4h水冷熱處理，工件的力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。而后對(duì)球體表面進(jìn)行機(jī)加工，球體加工圖見10。

6 結(jié)論

通過工藝試驗(yàn)表明了所建立的 UNS N06625球體模鍛的力學(xué)模型即本構(gòu)關(guān)系和有限元數(shù)值模擬所得結(jié)果的合理性與正確性。因此，所得結(jié)果也可在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中起到重要參考作用。

參考文獻(xiàn)

[1]  INCONEL alloy 625，www.specialmetals.com，Copyright © Special Metals Corporation, 2004 (Sept 04)

[2]  Austral Wright Metals, UNS N06625 December

[3]  ASME B -564-00a  鎳合金鍛件