本发明涉及一种利用热旋锻技术生产的高强韧高均质大直径薄壁钢锻件及其生产工艺和应用，属于金属材料加工。
背景技术：
1、大直径薄壁钢锻件如大型齿轮、盘类件、带凸台异形件等通常使用热模锻成型。由于锻造时工件与锻模接触面积大、金属流动距离远等问题，终锻温度往往较高、变形不均匀，容易造成锻件晶粒粗大且组织不均匀，即使通过调质等热处理改善后仍不能完全解决这些问题。此外原材料中存在的带状偏析锻造后通常沿直径方向伸展，造成锻件径向与垂直径向的力学性能产生各向异性。对于一些带长轴或长杆的大直径薄壁钢锻件使用传统热模锻甚至难以成型。
2、旋锻是指通过在两个或更多的转动硬模之间锤打，使横截面积缩小的锻造工艺。其中，热旋锻广泛应用于生产高强度、低塑性的材料，如钨、钼、铌等难熔金属及其合金，成型过程为减小圆棒直径；冷旋锻广泛用于极薄铝板或钢板弧形或筒型件的成型，成型过程为增大零件直径。受设备成本和工件温降等因素限制，热旋锻目前很少用于生产需扩大工件直径的锻造过程，即通过施加垂直于工件直径方向(即施加壁厚方向)的锻造压力，使工件变薄过程。
3、因此，亟需一种利用热旋锻技术生产需增大直径、减小壁厚的高强韧高均质大直径薄壁钢锻件的生产工艺，显著细化工件晶粒，提高强韧性和均匀性。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题是，提供一种利用热旋锻技术生产的高强韧高均质大直径薄壁钢锻件的生产工艺，与传统热模锻工艺相比，使用本发明工艺生产的工件晶粒显著细化、强韧性显著提高、各向异性显著降低。
2、同时，本发明提供一种利用热旋锻技术生产的高强韧高均质大直径薄壁钢锻件。
3、同时，本发明提供一种利用热旋锻技术生产的高强韧高均质大直径薄壁钢锻件在齿轮、带轴齿轮、带轴法兰、盘类件或带凸台异形件等钢质薄壁管件中的应用。
4、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
5、一种利用热旋锻技术生产的高强韧高均质大直径薄壁钢锻件的生产工艺，包括以下步骤：
6、s01，锻坯加热至1200℃～1250℃，保温1～2h；
7、s02，锻坯置于热旋锻机上进行旋锻，开锻温度不低于1150℃，第一遍旋锻压下量不小于30％，热旋锻机的转动硬模转速30-60转/分钟，转动硬模位移速度不大于0.5倍的转动硬模与工件的接触面直径/秒；第一遍旋锻的终锻温度不低于1050℃；
8、s03，根据工件尺寸要求，进行多遍旋锻，从第二遍旋锻开始，开锻温度不低于950℃，压下量不小于15％，转动硬模转速不低于60转/分钟，转动硬模位移速度不大于1倍的转动硬模与工件的接触面直径/秒；
9、s04，最后一遍旋锻的开锻温度高于工件成分的ac3温度+50℃且低于950℃，压下量10-15％，转动硬模转速不低于90转/分钟，转动硬模位移速度不大于1.5倍的转动硬模与工件的接触面直径/秒，终锻温度不低于工件成分的ar3温度；
10、s05，旋锻结束的工件空冷至室温，然后进行淬火+500-600℃的高温回火；或者旋锻结束的工件直接置于冷却槽中淬火，淬火工件冷却后进行500-600℃的高温回火。
11、优选地，热旋锻机的转动硬模直径不大于锻坯直径且不小于旋锻结束后工件最大直径的1/7。
12、优选地，s01中，锻坯包括圆柱形坯料。
13、进一步优选地，圆柱形坯料包括带长轴或长杆的圆柱形坯料，长轴和长杆垂直于锻坯的旋锻平面。
14、优选地，s03中，如果工件的温度低于950℃，将工件重新加热。加热及后续变形工艺应重复步骤s01～s05。
15、优选地，s02～s04中，转动硬模应顺时针或逆时针沿加工面连续进行热旋锻；每遍热旋锻从工件外边缘开始，完成一圈后向圆心移动，再开始下一圈热旋锻，相邻两圈搭接率不小于10％，直至需要热旋锻的位置全部锻造完成；对于非圆形盘面的工件，允许单圈热旋锻在没有工件的位置断开。
16、优选地，锻坯材料为中碳低合金钢，旋锻前锻坯材料高度与直径比小于1，旋锻结束后工件厚度大于20mm。
17、优选地，s02～s05在满足要求的前提下，每一遍热旋锻过程中不同位置的压下量可以不一致。
18、一种利用热旋锻技术生产的高强韧高均质大直径薄壁钢锻件，锻件晶粒度不小于6级，锻件直径方向与垂直直径方向抗拉强度差值不超过5％、冲击功差值不超过10％。
19、优选地，大直径薄壁钢锻件的直径为400mm～1200mm，厚度20mm～60mm；带长轴或长杆的大直径薄壁钢锻件包括一体成型的带轴齿轮或带轴法兰，轴直径小于盘部直径的1/4，轴长数十厘米至1～2米。
20、一种利用热旋锻技术生产的高强韧高均质大直径薄壁钢锻件在钢质薄壁管件中的应用，钢质薄壁管件包括齿轮、带轴齿轮、带轴法兰、盘类件或带凸台异形件。
21、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
22、(1)与传统热模锻相比，由于热旋锻转动硬模与工件接触面积小，可以保证局部足够的压强和短距离金属流动，提高了材料热变形过程中的塑性，可以获得更大的压下量和更低的终锻温度。有利于第一遍旋锻对原材料树枝晶的破碎和全过程对晶粒的细化，达到提高工件晶粒度级别和提高强韧性的目的。对于需要调质处理的工件可以直接淬火，减少了工件重新加热的能耗。
23、(2)与传统热模锻相比，工件不同位置每道次旋锻压下量可以调整和精准控制，解决了复杂形状工件变形不均匀和存在变形死区的问题，提高了整个盘面组织的均匀性，最终提高了整个盘面的力学性能均匀性。此外对于需要局部强化或韧化的工件也可以进行精确控制。
24、(3)由于热旋锻转动硬模引导金属在局部进行旋转流动，可以破坏凝固偏析带的方向。使原本沿轧向(传统模锻后沿直径方向)伸长的偏析带全部被打碎且随机分布，显著降低了工件的各向异性。
25、本发明的主要原理如下：
26、锻坯加热至1200℃～1250℃保温1～2h，保证锻坯热透软化并储存足够的热量。第一遍旋锻的主要目的是破碎铸态组织中的枝晶、焊合疏松等缺陷，应选用大压下量变形，因此压下量不小于30％。为保证大压下量旋锻过程中锻坯不出现裂纹，转动硬模转速应略低，选择30-60转/分钟。为保证变形渗透效果和整个盘面的变形均匀性，转动硬模位移速度不大于0.5倍的硬模与工件的接触面直径/秒。由于第一遍旋锻变形量大，需要锻坯具有良好的塑性，能够发生奥氏体晶粒再结晶，所以第一遍旋锻的终锻温度不低于1050℃。
27、根据锻坯与最终工件的尺寸关系，工件可以进行多遍旋锻。热变形过程中变形位置会明显升温，为了保证工件金属的连续性，避免个别位置因为没有发生变形而温降过多，要求每一遍热旋锻均要连续覆盖到工件的每一个位置。具体每个位置的变形量设置可以根据最终工件的具体形状进行设计。由于工件边缘温降快于心部，因此热旋锻过程从外边缘向圆心进行，同时变形位置会推动外部金属向远离圆心的方向移动，外部金属先变形减薄，可以减少金属移动的阻力、避免折叠等缺陷形成。
28、为了避免出现临界变形造成晶粒异常长大，除第一遍和最后一遍热旋锻外，其他热旋锻的压下量不小于15％，转动硬模转速不低于60转/分钟，转动硬模位移速度不大于1倍的硬模与工件的接触面直径/秒。如果工件的温度低于950℃，则应该认为这一遍热旋锻为最后一遍旋锻。而工件尚未成型时，可以重新加热。但为了保证晶粒细化效果，加热和后续变形过程应重复步骤s01至s05。
29、最后一遍旋锻是细化组织、改善工件表面质量的最终工序。最后一遍旋锻时工件应处于奥氏体未再结晶区，保证细化效果的同时，不在两相区变形产生开裂，因此开锻温度应高于工件成分的ac3温度+50℃且低于950℃，终锻温度不低于工件成分的ar3温度。为保证组织细化效果，压下量应在10-15％。为保证表面质量和防止未旋锻部分温降过多，需要加快旋锻速度，转动硬模转速不低于90转/分钟，转动硬模位移速度不大于1.5倍的硬模与工件的接触面直径/秒。
30、为避免同一道次旋锻距离圆心不同位置产生变形渗透不均匀、搭接处产生折叠，要求相邻两圈搭接率应不小于10％。为保证旋锻细化晶粒效果明显和锻造速度，避免单道次旋锻工件温降过大，超出要求的变形温度范围，要求热旋锻机转动硬模应不大于坯料直径且不小于旋锻结束后工件最大直径的1/7。
31、本发明针对的是大直径薄壁钢锻件，因此旋锻前坯料高度与直径比应小于1，否则锻造效率太低。如果坯料高度大于直径，可以先进行自由锻减小坯料高度与直径比，然后再按照本发明要求进行锻造。旋锻结束后工件厚度应大于20mm，避免旋锻过程中出现开裂，或者后续淬火产生过大的变形。
32、普通锻造终锻温度高，奥氏体晶粒粗大。空冷或者调质处理后组织均十分粗大，强韧性不足。因此需要工件冷却后重新正火或重加进行淬火回火处理。使用本发明工艺后，工件终锻后组织显著细化，组织均匀性提高，直接空冷即可以满足非调质钢零件的性能需求；直接使用预热淬火后再进行500-600℃的高温回火即可以满足调质钢件的性能需求。
33、本发明的热旋锻作为一种局部成型的加工方式，具有施加压力大、变形渗透好等优势，可以显著细化变形位置的晶粒，提高工件强韧性。也可以根据工件形状，实时调整变形量等工艺，达到精准控制的目的、减少后续加工。特别适用于生产要求高强韧高均质的大直径薄壁钢锻件，同时解决了带长轴或长杆的大直径薄壁钢锻件盘部成形困难的问题。此外，局部热旋锻还可以使沿直径伸展的带状偏析随局部金属的回旋流动被打断，避免了力学性能各向异性问题。而带热旋锻功能的锻机已经研制成功、开始应用于工业生产。
1.一种利用热旋锻技术生产的高强韧高均质大直径薄壁钢锻件的生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，热旋锻机的转动硬模直径不大于锻坯直径且不小于旋锻结束后工件最大直径的1/7。
3.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，s01中，锻坯包括圆柱形坯料。
4.根据权利要求3所述的生产工艺，其特征在于，圆柱形坯料包括带长轴或长杆的圆柱形坯料，长轴和长杆垂直于锻坯的旋锻平面。
5.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，s03中，如果工件的温度低于950℃，将工件重新加热，加热及后续变形工艺重复s01～s05。
6.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，s02～s04中，转动硬模应顺时针或逆时针沿加工面连续进行热旋锻；每遍热旋锻从工件外边缘开始，完成一圈后向圆心移动，再开始下一圈热旋锻，相邻两圈搭接率不小于10％，直至需要热旋锻的位置全部锻造完成；对于非圆形盘面的工件，允许单圈热旋锻在没有工件的位置断开。
7.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，锻坯材料为中碳低合金钢，旋锻前锻坯材料高度与直径比小于1，旋锻结束后工件厚度大于20mm。
8.根据权利要求1～7任意一项所述的生产工艺获得的一种利用热旋锻技术生产的高强韧高均质大直径薄壁钢锻件，其特征在于，锻件晶粒度不小于6级，锻件直径方向与垂直直径方向抗拉强度差值不超过5％、冲击功差值不超过10％。
9.根据权利要求8所述的一种利用热旋锻技术生产的高强韧高均质大直径薄壁钢锻件，其特征在于，大直径薄壁钢锻件的直径为400mm～1200mm，厚度20mm～60mm；带长轴或长杆的大直径薄壁钢锻件包括一体成型的带轴齿轮或带轴法兰，轴直径小于盘部直径的1/4，轴长数十厘米至1～2米。
10.根据权利要求8所述的一种利用热旋锻技术生产的高强韧高均质大直径薄壁钢锻件在钢质薄壁管件中的应用，其特征在于，钢质薄壁管件包括齿轮、带轴齿轮、带轴法兰、盘类件或带凸台异形件。
