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。基于Dyform軟件平臺，建立了球體的有限元模型。通過運用數值模擬方法，研究了球體模鍛成形過程，實驗成形出綜合質量良好的球體模鍛件。

關鍵詞：UNS N06625合金；球體；模鍛；數值模擬

1 引言

本文基于耐蝕合金球閥用UNS N06625合金球體研制項目，介紹UNS N06625材料的特點，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，屬于面心立方結構。物理性能如下：密度ρ:8.44g/cm3，熔點：1280~1350℃，磁導率:1.0006。化學成分如下：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良的綜合力學性能和耐腐蝕性能。Mo、Co原子在基體相中的固溶強化使材料具有高強度性能，不需要做沉淀硬化處理。Ni和Cr可以耐氧化性化學品，而高Ni和Mo含量可以耐非氧化性環境；高Mo含量可以阻止點蝕、縫隙腐蝕的發生；高Ni含量又使該合金具有高的抗氯化物應力腐蝕開裂能力；Nb的穩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生［1］［2］［3］。

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

UNS N06625合金適用溫度范圍非常廣泛，在低溫至1093℃的溫度范圍內均具有很高的強度和韌性，還具有很好的抗疲勞性能。低溫環境下具有優良的沖擊韌性值，在1093℃以下具有優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合金具有更為優良的循環氧化和冷卻性能。

此外，UNS N06625合金還具有優異的焊接性能，采用常規的焊接方法和工藝就可以實現與其他材料的異種焊接，不需要在焊后進行熱處理即可保持高強度和高韌性。諸多優良使用性能使得UNS N06625合金廣泛應用在潛艇、海洋儀器元件、管道波紋管、排氣管道和各種化學工藝環境中。

但由于UNS N06625合金元素多，合金含量高，熔點較低，再結晶溫度高，熱加工溫度范圍窄，高溫下變形抗力大，鍛造過程中對設備的噸位要求較高。鍛造過程中因變形不均勻等容易出現混晶現象，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生相變，不能通過熱處理來細化晶粒，僅能通過合理控制熱加工過程來獲得較為均勻細小的晶粒。所以鍛造工藝對工件的組織和性能影響很大。

目前，國內關于UNS N06625合金模鍛成型的研究較少，技術條件和工藝不成熟，對UNS N06625合金模鍛分型面和模具設計等鍛造方法的研究主要有兩種方式：工藝試驗和數值模擬。但由于工藝試驗需很高的材料、人工成本，因此采用數值模擬方法對UNS N06625合金模鍛進行研究意義重大。

2 產品參數

球體是球閥中的關鍵零件，通過閥桿帶動，繞閥體的中心線做旋轉達到開啟和關閉球閥的作用。結構形狀為球狀帶凸臺的工件，本文研究的球體幾何模型凈尺寸見下圖1。

工件數量較多，而材料合金含量高，價格極其昂貴，因此選用模鍛成型方法。模鍛成型生產效率高，表面質量高，加工尺寸小，不僅可以節約原材料成本，也可以減少機加工工時。

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體模型，如圖2所示。坯料采用彈塑性有限元模型，應用自適應網格劃分技術劃分網格，由于不考慮上模和下模的受力和變形情況，故對上模和下模定義為剛性體。

3.2 材料模型的建立

采用GLeeble熱模擬試驗機，選取UNS N06625材料從接近再結晶溫度到鍛造加熱溫度范圍內的六個溫度點950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃溫度、變形速率為1 S-1、5S-1、10 S-1條件下進行不同溫度不同應變速率的高溫壓縮試驗，采集了試驗數據，確定了流動應力與應變、應變速率與溫度的關系，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、熱導率，比熱容和輻射系數等[2]。

4 有限元分析

4.1 模擬過程

模擬過程中，其運動關系定義為，下模靜止不動， 上模為主動件（Primary Die），坯料為從動件（slave）。屈服準則采用Von.mises 屈服準則。

首先上模向下運動，下模始終固定不動。成型初期，坯料上端首先與上模接觸；成型中期，上模繼續向下運動，此過程中上模始終對坯料施加壓應力，使坯料塑性變形進而充滿模具型腔。模擬成型過程見附圖3。下面對以成型情況最好的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，凸臺軸端面充型完全，且沒有表面缺陷存在。

4.3 等效應變場

圖 5給出了UNS N06625合金等效應變場的數值模擬結果, 最大應變分布主要集中在球體的凸臺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，等效應變分布較小。

4.4 速度場和溫度分布情況

圖6為速度場分布云圖，可以看出坯料在模具的成形作用下的流動情況。圖7為溫度場分布云圖，球體在成形后的最高溫度在球體中心面區域處，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。螺旋壓力機的變形速率一般為5 S-1，在此應變速率下625合金在1120℃左右加熱時的變形抗力為320.16mpa, 模鍛設備噸位G=kA*σ/10000。

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

設備噸位（最小）G=1.5*3.14*48.5*48.5*320.16/10000 =354T，所得計算結果與實際模擬結果一致。

5模鍛過程

試驗用坯料采用φ75*120鍛造圓棒，模具分型面選擇在過凸臺軸心線所在平面，凸臺部位的軸向方向與成型設備運動方向垂直，與模擬過程相同，采用400T螺旋壓力機。采用中頻感應爐加熱，感應頻率調節范圍800-1200 HZ，加熱過程采用紅外測溫儀測溫，準確度：±1%（200～1300℃），鐓粗比為1.6。球體的鍛坯圖見圖9。

經過890℃/4h水冷熱處理，工件的力學性能符合標準的要求。而后對球體表面進行機加工，球體加工圖見10。

6 結論

通過工藝試驗表明了所建立的 UNS N06625球體模鍛的力學模型即本構關系和有限元數值模擬所得結果的合理性與正確性。因此，所得結果也可在實際生產應用中起到重要參考作用。

參考文獻

[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