專利名稱：用于增強可鍛性的潤滑方法
技術領域：
本公開針對用于減少鍛造操作期間模具與工件之間的摩擦并且增加工件(例如，金屬、合金錠和鋼坯)的可鍛性的方法。背景“鍛造”是指固態(tài)材料通過塑性變形的作業(yè)和/或成形。鍛造不同于其它主要類別的固態(tài)材料成型操作，也就是不同于機械加工(通過切割、研磨或以其它方式將材料從工·件上去除的工件成形方式)以及澆鑄(模制液體材料凝固后可保持模具形狀)?？慑懶允遣牧显诓话l(fā)生損壞的情況下進行塑性變形的相對能力?？慑懶匀Q于許多因素，包括例如鍛造條件(例如，工件溫度、模具溫度以及變形率)以及材料特征(例如，組成、微結構以及表面結構)。影響給定工件的可鍛性的另一個因素是相互作用的模具表面與工件表面的摩擦學相關因素。在鍛造操作中模具表面與工件表面之間的相互作用包括熱傳遞、摩擦以及磨損。這樣一來，工件與鍛造模具之間的絕緣和潤滑是影響可鍛性的因素。在鍛造操作中，通過使用潤滑劑來減少摩擦。然而，現(xiàn)有的鍛造潤滑劑存在多種缺陷，特別是在熱鍛鈦合金和超耐熱合金的情況下。本公開針對用于減少鍛造操作期間模具與工件之間的摩擦的潤滑方法，所述方法克服了現(xiàn)有鍛造潤滑方法的多種缺陷。概述本文所公開的實施方案針對鍛造潤滑方法，所述方法包括將固體潤滑劑薄片安置在鍛造設備中的工件與模具之間。模具向工件施加力以使工件發(fā)生塑性變形。在鍛造過程中模具與工件之間的剪切因子小于O. 20。本文所公開的其它實施方案針對鍛造潤滑方法，所述方法包括將固體石墨薄片安置在鍛造設備中的鈦或鈦合金工件與模具之間。模具向工件施加力以使工件在范圍為1000° F至2000° F的溫度下發(fā)生塑性變形。在鍛造過程中模具與工件之間的剪切因子小于 O. 20。應理解的是，本文所公開和描述的本發(fā)明并不限于本概述中公開的實施方案。附圖簡述通過參考附圖，可以更好地理解本文所公開和描述的某些非限制性實施方案的多種特征，其中圖IA是示出無摩擦條件下工件的開模頂部鍛造的截面示意圖，并且圖IB是示出大摩擦條件下相同工件的開模頂部鍛造的截面示意圖；圖2A、圖2B以及圖2C是包裹在固體潤滑劑薄片中的圓筒形工件的透視圖3A和圖3C是示出不具有固體潤滑劑薄片情況下開模鍛造操作的截面示意圖，并且圖3B和圖3D是示出根據本文所公開的方法采用固體潤滑劑薄片的相同開模鍛造操作的截面示意圖；圖4A、圖4C以及圖4E是示出不具有固體潤滑劑薄片情況下開模鍛造操作的截面示意圖，并且圖4B、圖4D以及圖4F是示出根據本文所公開的方法采用固體潤滑劑薄片的相同開模鍛造操作的截面示意圖；圖5A是示出不具有固體潤滑劑薄片情況下徑向鍛造操作的截面示意圖，并且圖5B是根據本文所公開的方法采用固體潤滑劑薄片的相同徑向鍛造操作的截面示意圖；圖6A和圖6C是示出不具有固體潤滑劑薄片情況下閉模鍛造操作的截面示意圖，并且圖6B和圖6D是示出根據本文所公開的方法采用固體潤滑劑薄片的相同閉模鍛造操作 的截面示意圖；圖7A、圖7A、圖7B以及圖7D是示出固體潤滑劑薄片以及絕緣薄片相對于鍛造設備中的工件和模具的各種配置的截面示意圖；圖8是示出圓環(huán)壓縮試驗的一般設置的截面示意圖；圖9是示出圓環(huán)壓縮試驗中在多種摩擦條件下壓縮的環(huán)的形狀的截面示意圖；圖IOA是圓環(huán)壓縮試驗中環(huán)試樣壓縮之前的透視截面視圖，圖IOB是圓環(huán)壓縮試驗中環(huán)試樣以相對較小摩擦下壓縮之后的透視截面視圖，并且圖IOC是圓環(huán)壓縮試驗中環(huán)試樣以相對較大摩擦壓縮之后的透視截面視圖；圖IlA是圓環(huán)壓縮試驗中環(huán)試樣壓縮之前的俯視圖，并且圖IlB是圓環(huán)壓縮試驗中環(huán)試樣壓縮之前的側視圖；并且

圖12是針對Ti-6A1_4V合金的圓環(huán)壓縮試驗的壓縮后的內徑與剪切因子之間的相關性的曲線圖；在考慮根據本公開的多種非限制性實施方案的以下詳細描述之后，讀者將理解前述細節(jié)以及其它細節(jié)。在實施或使用本文所描述的實施方案之后，讀者還會領會附加細節(jié)。非限制性實施方案的詳細描述應理解的是，已對所公開的實施方案的描述進行了簡化，以便僅說明與清楚理解所公開的實施方案相關的那些特點和特征，同時為了清晰起見，去除了其它特點和特征。本領域的普通技術人員在考慮所公開的實施方案的這些描述之后，將認識到其它特點和特征在所公開的實施方案的具體實施或應用中會是合意的。然而，由于在本領域的普通技術人員在考慮所公開的實施方案的這些描述之后可以容易地確定和實施這類其它特點和特征，因此，對于所公開的實施方案的完整理解來說，這類其它特點和特征是不必要的，因而本文未提供這類特點、特征等的描述。這樣一來，應理解的是本文給出的描述僅僅是所公開的實施方案的示例性和說明性描述，且并不意在限制權利要求書所限定的本發(fā)明的范圍。在本公開中，除非另外指明，否則所有的數值參數應理解成在所有的情況下數值參數之前都帶有修飾術語“約”，其中數值參數擁有用于測定參數數值的基本測量技術的固有可變性特征。至少且并不嘗試將等效物原則的應用限制于權利要求書的范圍，本說明書中描述的每個數值參數應至少根據記錄的有效位數目并且通過應用常見的舍入技術來進行分析。同樣地，本文引用的任何數值范圍意在包括所引用范圍內包含的所有子范圍。舉例來說，“I至10”的范圍意在包括在引用的最小值I與引用的最大值10(含I及10)之間的所有子范圍，也就是，具有等于或大于I的最小值以及等于或小于10的最大值。本文引用的任何最大數值限制意在包括納入本文的所有較小數值限制，且本文引用的任何最小數值限制意在包括納入本文的所有較大數值限制。因此，本申請人保留修正本公開(包括權利要求書)的權力，以便明確引用納入本文所明確引用的范圍內的任何子范圍。所有這類范圍意在在本文中以固有方式公開，以使得修正以明確引用任何這類子范圍將符合美國法典35篇112條的第一段和美國法典35篇132條(a)款的要求。除非另外指明，否則本文使用的語法修飾詞“一個(種)(one)”、“一個(種)(a) ”、“一個(種)(an) ”以及“所述(the) ”意在包括“至少一個(種)”或“一個或多個(一種或多種)”。因此，這類修飾詞在本文中用來指代修飾詞的語法賓語中的一個或一個以上(也就是，指代“至少一個”)的。借助實施例說明，“一個部件”意指一個或多個部件，因此可能涵蓋了一個以上的部件，并且所描述的實施方案的實施中可能采用或使用了所述一個以上的部件。除非另外指明，否則以引用方式并入本文的任何專利、公開案或其它公開材料應理解成其全部內容并入本文，但僅以以下程度并入所并入的材料并不與本說明書中明確給出的現(xiàn)有定義、陳述或其它公開材料沖突。這樣一來，在必要程度上，本文給出的明確公開取代以引用方式并入本文的任何沖突材料。應理解的是，以引用方式并入本文但與本文給出的現(xiàn)有定義、陳述或其它公開材料沖突的任何材料或其部分僅以以下程度并入所并入的材料與現(xiàn)有公開材料之間不會發(fā)生沖突。本申請人保留修正本公開的權力，以便明確引用以引用方式并入本文的任何標的或其部分。本公開包括各個實施方案的描述。應理解的是，本文描述的各個實施方案是示例性的、說明性的以及非限制性的。因此，本公開并不受限于各個示例性、說明性以及非限制性實施方案的描述。事實上，本發(fā)明由權利要求書限定，所述權利要求書可經修正以引用本公開中明確地或固有地描述的、或本公開以其它方式明確地或固有地支持的任何特點或特征。另外，本申請人保留修正權利要求書的權力，以便斷然地放棄現(xiàn)有技術中可能存在的特點或特征。因此，任何這類修正都將符合美國法典35篇112條的第一段和美國法典35篇132條(a)款的要求。本文公開和描述的各個實施方案可包括本文多方面描述的特點和特征、由本文多方面描述的特點和特征組成、或基本上由本文多方面描述的特點和特征組成。在鍛造操作中，工件表面與模具表面之間的界面摩擦可定量表達為摩擦剪切應力。摩擦剪切應力(O可表達為變形材料的固體流動應力(σ)與剪切因子(m)的函數，公式如下
m —τσ剪切因子的值為鍛造系統(tǒng)提供潤滑性的定量測量。舉例來說，在未用潤滑劑鍛造鈦合金工件時，剪切因子可在O. 6至I. O的范圍內，而在用某些熔融潤滑劑熱鍛造鈦合金工件時，剪切因子可在O. I至O. 3的范圍內。舉例來說，針對鍛造操作的相對較高的剪切因子值所表征的不充分的鍛造潤滑會具有許多不利影響。在鍛造過程中，材料的固態(tài)流動是由從模具傳遞到塑性變形工件的力引起的。模具/工件界面處的摩擦條件影響金屬流動、表面變形和工件內的內部應力、作用在模具上的應力以及擠壓載荷和能量要求。圖IA和圖IB結合開模頂部鍛造操作示出某些摩擦作用。圖IA示出在理論上無摩擦的條件下圓筒形工件10的開模頂部鍛造。圖IB示出在大摩擦的條件下相同的圓筒形工件10的開模頂部鍛造。上部模具14將工件10從其初始高度(以虛線示出)擠壓到鍛造高度H。上部模具14和下部模具16以相等大小并在相對方向上向工件10施加頂部鍛造力。形成工件10的材料是不可壓縮的，因此，初始工件10和鍛造后工件IOa與IOb的體積是相等的。在圖IA中所示的無摩擦條件下，工件10在軸向和徑向方向上均勻地變形。鍛造后工件IOa的線性輪廓12a表示出所述變形。在圖IB中所示的大摩擦條件下，工件10在軸向和徑向方向上未均勻地變形。鍛造后工件IOb的曲線輪廓12b表示出所述變形。這樣一來，鍛造后工件IOb展示出在大摩擦條件下的“滾磨”，而鍛造后工件IOa未展示出在無摩擦條件下的任何滾磨。在鍛造過程中模具/工件界面摩擦所引起的非均勻塑性變形的滾磨和其它影響通常都是不良的。舉例來說，在閉模鍛造中，界面摩擦可導致孔隙空間的形成，在所述孔隙空間中，變形材料并未填充模具中的所有空腔。這在工件以較緊密的公差進行鍛造的凈形(net-shape)或近凈形(near-net_shape)鍛造操作中會特別成問題。因此，在鍛造操作期間可以采用鍛造潤滑劑來減小模具表面與工件表面之間的界面摩擦。在各個實施方案中，一種鍛造潤滑方法包括將固體潤滑劑薄片安置在鍛造設備中的工件與模具之間。如本文所使用的，“固體潤滑劑薄片”是相對較薄的材料片，所述材料片包含可減小金屬表面之間摩擦的固態(tài)潤滑劑。固態(tài)潤滑劑在環(huán)境條件下呈固態(tài)，并且在鍛造條件下(例如，在高溫下)仍保持固態(tài)。固體潤滑劑薄片在鍛造期間可將模具與工件之間的剪切因子減小到O. 20以下(不含O. 20)。固體潤滑劑薄片可包含選自由以下組成的組的固態(tài)潤滑材料石墨、二硫化鑰、二硫化鎢以及氮化硼。在各個實施方案中，固體潤滑劑薄片可包含固態(tài)潤滑劑，所述固態(tài)潤滑劑具有在室溫下小于或等于O. 3的摩擦系數和/或大于或等于1500° F的熔點溫度?？捎糜诒疚乃_的固體潤滑劑薄片中的固態(tài)潤滑劑的特征還可在于(例如)高達且包括材料的剪切流動應力值的的20%的剪切流動應力值，所述材料用包含所述固態(tài)潤滑劑的固體潤滑劑薄片鍛造。在各個實施方案中，包含固體潤滑劑薄片的固態(tài)潤滑劑的表征可在于大于或等于500%的剪切延性?？捎糜诒疚乃_的固體潤滑劑薄片中的固態(tài)潤滑劑擁有在具有或不具有適合粘合劑或粘結劑的情況下加工成薄片形式的能力。在各個實施方案中，固體潤滑劑薄片可以是柔性的，并且能夠安置在鍛造模具和/或工件的空腔中，以及造型和非平面表面上。在各個實施方案中，固體潤滑劑薄片可以是剛性的并且在安置在鍛造設備中的模具與工件之間時維持預先形成的形狀或造型。在各個實施方案中，固體潤滑劑薄片可由固態(tài)潤滑化合物(例如，石墨、二硫化鑰、二硫化鎢和/或氮化硼)和殘留雜質(例如，灰)組成，并且不含有粘合劑、填充劑或其它添加劑。或者，在各個實施方案中，固體潤滑劑薄片可包含固態(tài)潤滑劑和粘合劑、填充劑和/或其它添加劑。舉例來說，固體潤滑劑薄片可含有允許其在含氧環(huán)境(例如，環(huán)境空氣或高溫空氣)中在高溫下持續(xù)或重復使用的抗氧化劑。在各個實施方案中，固體潤滑劑薄片可包含粘結至纖維薄片的固態(tài)潤滑劑的層壓材料。舉例來說，固態(tài)潤滑劑能夠以粘附方式粘合或熱粘合至陶瓷纖維薄片、玻璃纖維薄片、碳纖維薄片或聚合物纖維薄片。適合的纖維薄片包括編織的和非編織的纖維薄片。固體潤滑劑薄片可包含粘合至纖維薄片的一側或兩側的固態(tài)潤滑劑的層壓材料。舉例來說，美國專利號4，961，991描述了粘合至柔性纖維薄片的柔性石墨薄片的層壓材料的實施例，其可用作本文所公開的方法中的固體潤滑劑薄片，所述專利以引用方式并入本文。在各個實施方案中，固體潤滑劑薄片可包括粘結至聚合物薄片的固態(tài)潤滑劑的層壓材料。舉例來說，固態(tài)潤滑劑可以粘附方式粘合或熱粘合至柔性聚合物薄片的一側或兩側。在各個實施方案中，固體潤滑劑薄片可包括固態(tài)潤滑劑的背膠薄片。舉例來說，石墨、二硫化鑰、二硫化鎢和/或氮化硼的薄片可包含涂覆至薄片一側的粘附劑化合物。舉例來說，可在鍛造之前將背膠固體潤滑劑薄片涂覆并粘附至模具和/或工件表面，以便確保鍛造操作期間固體潤滑劑薄片的合適安置。包含聚合物材料、粘附劑和/或其它有機材料的固體潤滑劑薄片可用于可接受有機燃燒的熱鍛造操作中。在各個實施方案中，固體潤滑劑薄片可具有范圍為0.005 " (0.13mm)至
1.000 " (25.4mm)或本文中任何子范圍的厚度。舉例來說，在各個實施方案中，固體潤滑劑薄片可具有以下最小、最大或平均厚度0.005 " (O. 13mm)、O. 006 " (0.15mm)、O. 010 " (O. 25mm)、O. 015 " (O. 38mm) ,0. 020 " (0. 51mm) ,0. 025 " (0.64mm)、0. 030 " (0. 76mm) ,0. 035 " (0. 89 mm) ,0. 040 " (I. 02mm) ,0. 060 " (1.52mm)、
0.062 " (I. 57mm) ,0. 120 " (3. 05mm) ,0. 122 " (3. 10mm) ,0. 24 " (6.10mm)、
0.5" (12. 70mm)或0.75" (19.05mm)。以上厚度可以是單個固體潤滑劑薄片的厚度或是多個固體潤滑劑薄片的堆疊的厚度。用于鍛造操作中的固體潤滑劑薄片或薄片堆疊的厚度可取決于多種因素，包括鍛造溫度、鍛造時間、工件大小、模具大小、鍛造壓力、工件變形程度等。舉例來說，鍛造操作中的工件和模具的溫度可影響固體潤滑劑薄片的潤滑性以及通過固體潤滑劑薄片的熱傳遞。由于固態(tài)潤滑劑會出現(xiàn)(例如)壓縮、結塊和/或氧化現(xiàn)象，所以在較高溫度和/或較長鍛造時間下可使用較厚的薄片或薄片堆疊。在各個實施方案中，本文所公開的固體潤滑劑薄片在鍛造操作期間可能會比工件和/或模具的表面薄，因此，較厚的薄片或薄片堆疊對于工件增加的變形來說可能是有用的。在各個實施方案中，固體潤滑劑薄片可以是固體石墨薄片。固體石墨薄片可具有以石墨薄片的重量計至少95%的石墨碳含量。舉例來說，固體石墨薄片可具有以石墨薄片的重量計至少96%、97%、98%、98. 2%,99. 5%或99. 8%的石墨碳含量。適于本文所公開的方法的固體石墨薄片包括，例如，可從GrafTech International, Lakewood, Ohio, USA得到的不同等級的Gl'afoil· 義性石墨材料；可從HP MaterialsSolutions, Inc, WoodlandHills, Cal而mia,USA得到的不同等級的石墨箔片、薄片、租墊圈等；可從Garlock SealingTechnologies, Palmyra, New York, USA 得到的不同等級的 Graph-Lock 石墨材料可從Thermoseal, Inc., Sidney, Ohio, USA得到的不同等級的柔性石墨；以及可從DARIndustrial Products, Inc. ,West Conshohocken,Pennsylvania,USA 得到的不同等級的石墨薄片廣品。在各個實施方案中，可將固體潤滑劑薄片可安置在鍛造設備中的模具的工作表面上，并且將工件安置在模具上的固體潤滑劑薄片上。如本文所使用，模具的“工作表面”是在鍛造操作期間確實或可能接觸工件的表面。舉例來說，可將固體潤滑劑薄片安置在壓力鍛造設備的下部模具上，并且將工件安置在固體潤滑劑薄片上，這樣一來固體潤滑劑薄片就處于工件底表面與下部模具之間的插入位置。在將工件安置在下部模具的固體潤滑劑薄片上之前或之后，可將另一固體潤滑劑薄片安置在工件的頂表面上?；蛘呋虼送?，可將固體潤滑劑薄片安置在鍛造設備中的上部模具上。這樣一來，可將至少一個其它固體潤滑劑薄片插入在工件頂表面與上部模具之間。然后可向模具之間的工件施力，以便使工件發(fā)生塑性變形，且模具與工件之間減小的摩擦減少了不良的摩擦作用。 在各個實施方案中，固體潤滑劑薄片可以是柔性或剛性薄片，所述薄片可經彎曲、成型或造型以匹配鍛造操作中模具和/或工件的形狀。固體潤滑劑薄片可在安置在鍛造設備中的工件和/或模具上之前經彎曲、成型或造型，也就是，預先形成預定的形狀或造型。舉例來說，預先形成的形狀可包括固體潤滑劑薄片中的一個或多個褶皺(例如，近似135°的軸向彎曲，以便輔助沿著工件的縱向軸將薄片放置在圓筒形工件的上部曲面上，或一個或多個近似90°的彎曲，以便輔助將薄片放置在矩形工件上)?；蛘撸蓪⒐腆w潤滑劑薄片形成柔性或剛性套管、管件、空心圓筒或其它幾何形狀，這樣就可在鍛造之前進行定位并且將固體潤滑劑薄片以機械方式固定在模具或工件表面上。在將固體潤滑劑薄片插入到鍛造設備中的模具與工件之間時，固體潤滑劑薄片可在模具與工件之間提供固態(tài)障礙物。這樣一來，模具通過固體潤滑劑薄片直接接觸工件，從而減小了模具與工件之間的摩擦。固體潤滑劑薄片的固態(tài)潤滑劑的特征可在于相對小的剪切流動應力值和相對大的剪切延性值，從而允許固體潤滑劑薄片在鍛造過程中作為連續(xù)的薄膜沿著模具-工件界面流動。舉例來說，在各個實施方案中，可用于本文所公開的固體潤滑劑薄片中的固態(tài)潤滑劑的特征可在于(例如)大于或等于500%的剪切延性以及高達且包括材料的剪切流動應力值的20%的剪切流動應力值，所述材料用包含所述固態(tài)潤滑劑的固體潤滑劑薄片鍛造。借助實施例說明，石墨固態(tài)潤滑劑由堆疊式石墨烯層組成。石墨烯層是共價鍵碳的單原子厚的層。石墨中石墨烯層之間的剪切力很小，因此，石墨烯層可以很小的阻力相對于彼此滑動。這樣一來，石墨展示出相對小的剪切流動應力和相對大的剪切延性，從而允許石墨薄片在鍛造過程中作為連續(xù)的薄膜沿著模具-工件界面流動。六方氮化硼、二硫化鑰以及二硫化鎢具有晶格層之間剪切力很小的類似晶格結構，這使得滑動表面之間的阻力最小化，從而展示出類似的干潤滑性特性。在鍛造操作期間，由于固體潤滑劑薄片被壓縮在模具與工件之間并且在剪切中流動以便維持潤滑性時，固體潤滑劑薄片可以機械方式粘附到模具和工件的表面，這是因為固體潤滑劑薄片壓緊了施加鍛造壓力所處的位置。在各個實施方案中，在后續(xù)的鍛造操作或其它操作之前，可將任何壓緊的或“結塊的”固體潤滑劑薄片保留在工件或模具上或者將其從模具或工件上去除。在各個實施方案中，在將工件安置在鍛造設備中之前，可將固體潤滑劑薄片安置在工件上。舉例來說，工件表面的至少一部分可包裹有固體潤滑劑薄片。圖2A至圖2C示出在鍛造之前包裹有固體潤滑劑薄片28的圓筒形工件20。圖2A示出所有外表面覆蓋有固體潤滑劑薄片28的工件20。圖2B示出僅圓周表面覆蓋有固體潤滑劑薄片28的工件20。在圖2B中，未將固體潤滑劑薄片安置在工件20的末端表面上。圖2C示出圖2B的工件20，其中去除了固體潤滑劑薄片28的一部分以便看見工件20的基礎圓筒表面21。在各個實施方案中，在將工件安置在鍛造設備中之前，可將固體潤滑劑薄片安置在鍛造設備中的一個或多個模具上。在各個實施方案中，在鍛造之前將背膠固體潤滑劑薄片安置在工件和/或模具上。或者，可用單獨的粘附劑將固體潤滑劑薄片固定在工件和/或模具上，以便更好地確保鍛造操作期間固體潤滑劑薄片的合適安置。在鍛造操作包括鍛造設備的兩個或更多個沖程的實施方案中，可在任何兩個沖程之間將附加的固體潤滑劑薄片插入到模具表面與工件表面之間。本文所公開的鍛造潤滑方法可適用于增強的潤滑和可鍛性將產生有利作用的任何鍛造操作。舉例來說且并非意在限制，本文所公開的鍛造潤滑方法可適用于開模鍛造、閉模鍛造、正向擠壓、反向擠壓、徑向鍛造、頂部鍛造以及拉拔式鍛造。此外，本文所公開的鍛造潤滑方法可適用于凈形和近凈形鍛造操作。圖3A至圖3D示出開放式平模擠壓鍛造操作。圖3A和圖3C示出在不具有固體潤滑劑薄片的情況下的鍛造操作，并且圖3B和圖3D示出根據本文所公開的方法采用固體潤滑劑薄片的相同鍛造操作。上部模具34將工件30從其初始高度擠壓到鍛造高度。通過上部模具34和下部模具36向工件30施加擠壓力。工件30的材料是不可壓縮的，因此，初始工件30和鍛造后工件30a與30b的體積是相等的。在不具有潤滑劑的情況下，圖3C中所示的鍛造后工件30a未均勻變形，并且展示出因工件30與模具34和36之間的相對大的摩擦而出現(xiàn)在32a處的滾磨。如圖3B中所不，固體潤滑劑薄片38分別安置在工件30與上部模具34和下部模具36之間。固體潤滑劑薄片38安置在下部模具36上，并且工件30安置在固體潤滑劑薄片38上。另一固體潤滑劑薄片38安置在工件30的頂表面上。固體潤滑劑薄片38是柔性的，并且能夠安置成遮蓋住工件38。在具有固體潤滑劑薄片38的情況下，圖3D中示出的鍛造后工件30b較均勻地變形，并且展示出因工件30與模具34和36之間減小的摩擦而出現(xiàn)在32b處的較少滾磨。圖4A至圖4F示出開放式V形模具鍛造操作。圖4A、圖4C以及圖4E示出在不具有固體潤滑劑薄片的情況下的鍛造操作，并且圖4B、圖4D以及圖4F示出根據本文所公開的方法采用固體潤滑劑薄片的相同鍛造操作。圖4A和圖4B示出相對于V形模具空腔以偏心方式安置的工件40。如圖4B中所示，固體潤滑劑薄片48分別安置在工件40與上部模具44和下部模具46之間。固體潤滑劑薄片48安置在下部模具46上，并且工件40安置在固體潤滑劑薄片48上。另一固體潤滑劑薄片48安置在工件40的頂表面上。固體潤滑劑薄片48是柔性的，并且能夠安置成匹配下部模具46的V形空腔的造型并且遮蓋住工件48。圖4C和圖4D示出正與上部模具44接觸并且開始經受壓力時的工件40。如圖4C中所示，在擠壓沖程期間，當上部模具44在不存在潤滑的情況下接觸工件40時，工件40與模具44和46的接觸表面之間的大摩擦使得工件粘著到47所表示的模具上。這種可稱為“鎖?！钡默F(xiàn)象在包括造型后模具表面的鍛造操作中可能是特別不希望的，因為在所述鍛造操作中以偏心方式安置的工件可能會鎖模并且不會合適地變形以便呈現(xiàn)模具的造型。在不存在潤滑的情況下的鍛造操作中的擠壓沖程期間，工件可能會鎖模直到擠壓力克服粘著摩擦力。在無潤滑式鍛造操作中擠壓力克服粘著摩擦力時，工件可能會在鍛造設備中迅速加速。舉例來說，如圖4C中所示，然后擠壓力克服工件40與模具44和46之間CN 102939174 A
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的粘著摩擦力(由47表示)，工件40可迅速地向下加速進入到模具46的V形空腔的中心，如由箭頭49表示。工件在鍛造設備內的迅速加速可能會損害工件、鍛造設備或兩者。舉例來說，在擠壓力大于粘著摩擦力時，工件和/或模具可能會磨損，也就是，材料可能會從鎖模期間卡住的局部接觸區(qū)域(例如，圖4C中的區(qū)域47)中不當地去除。此外，如果工件在鍛造設備內·加速，那么鍛造后工件可能會被損壞、刮傷、壓碎、壓裂和/或斷裂。鎖模還會不利地影響到維持被鍛造物品的尺寸控制的能力。此外，鍛造設備內的迅速移動可能會引起鍛造設備的部件表面的有力碰撞和鍛造設備的震動，從而可能會損害鍛造設備或以其它方式縮短鍛造設備的部件的使用壽命。在具有固體潤滑劑薄片的鍛造操作中的擠壓沖程期間，偏心工件因摩擦減小而不用經歷鎖模。固體潤滑劑薄片顯著減小或消除了粘著摩擦，因此未發(fā)生不可接受的工件的迅速加速現(xiàn)象。相反，在上部模具接觸工件或工件上的潤滑薄片時，發(fā)生了相對光滑的自定心(self-centering)云力作。舉例來說，如圖4D中所示,在上部模具44接觸工件40時，固體潤滑劑薄片48顯著減小或消除了粘著摩擦，并且減小了滑動摩擦，這樣使得工件40光滑地以自定心方式向下進入到模具46的V形空腔中。圖4E和圖4F分別示出在不具有潤滑劑和具有固體潤滑劑薄片48的情況下的鍛造后工件40a和40b。在不具有潤滑劑的情況下，圖4E中所示的鍛造后工件40a在鍛造過程中未均勻變形，并且展示出因工件40與模具44和46之間的相對大的摩擦而出現(xiàn)在42a處的滾磨。在具有固體潤滑劑薄片48的情況下，圖4F中所示的鍛造后工件40b在鍛造過程中較均勻地變形，并且展示出因工件40與模具44和46之間減小的摩擦而出現(xiàn)在42b處的較少滾磨。圖5A和圖5B示出徑向鍛造操作。圖5A示出在不具有固體潤滑劑薄片的情況下的徑向鍛造操作，并且圖5B示出根據本文所公開的方法采用固體潤滑劑薄片的相同徑向鍛造操作。模具54和56減小了圓筒形工件50的直徑，所述模具54和56相對于工件50在徑向方向上移動，而所述工件50相對于模具54和56縱向移動。如圖5A中所不，未用潤滑劑進行的徑向鍛造操作可導致不均勻變形，如由52a表示。圖5B中所示的徑向鍛造操作是用根據本文所公開方法的包裹工件50的固體潤滑劑薄片58來進行的。舉例來說，工件50可包裹有如上文圖2A或圖2B中示出的固體潤滑劑薄片58。如圖5B中所示，用固體潤滑劑薄片進行的徑向鍛造操作會可獲得較均勻變形，如由52b表示。圖6A至圖6D示出閉模擠壓鍛造操作，所述操作可以是凈形或近凈形鍛造操作。圖6A和圖6C示出在不具有固體潤滑劑薄片的情況下的閉模擠壓鍛造操作，并且圖6B和圖6D示出根據本文所公開的方法采用固體潤滑劑薄片的相同鍛造操作。上部模具或沖壓塊64將工件60壓入到下部模具66的模具空腔中。在不具有潤滑劑的情況下，圖6C中所示的工件60a在鍛造過程中未均勻地變形，并且因工件60與下部模具66之間的相對大的摩擦而未完全填充模具空腔，如由62表示。這對于凈形和近凈形閉模鍛造操作來說會特別成問題，上述操作中希望鍛造后工件是完全成型的物品或近似成型的物品而幾乎不需要或者不需要后續(xù)的鍛造或機械加工。如圖6B中所示,工件60包裹在固體潤滑劑薄片68中。固體潤滑劑薄片68是柔性的并且符合工件60的表面。圖6D中所示的工件60b因固體潤滑劑薄片68引起的減小
11的摩擦而較均勻地變形，并且完全符合封閉模具64和66的造型表面和空腔。在各個實施方案中，本文所公開的固體潤滑劑薄片可與單獨的絕緣薄片結合使用。如本文所使用，“絕緣薄片”是意在將工件與鍛造設備中模具的工作表面熱絕緣的固體材料薄片。舉例來說，絕緣薄片可安置在固體潤滑劑薄片與工件表面之間，和/或絕緣薄片可安置在固體潤滑劑薄片與模具表面之間。此外，絕緣薄片可夾置在兩個固體潤滑劑薄片之間，并且夾置的薄片可安置在鍛造設備中的工件與模具之間。圖7A至圖7D示出固體潤滑劑薄片78和絕緣薄片75相對于鍛造設備中的工件70和模具74和76的各種配置。圖7A示出安置在下部模具76的工作表面上的固體潤滑劑薄片78。工件70安置在下部模具76上的固體潤滑劑薄片78上。這樣一來，固體潤滑劑薄片78就安置在工件70的底表面與下部模具76之間。絕緣薄片75安置在工件70的頂表面上。圖7B示出安置在擠壓鍛造設備中下部模具76的工作表面上的絕緣薄片75。工件70包裹在固體潤滑劑薄片78中。經包裹的工件70安置在下部模具76上的絕緣薄片75上。這樣一來，固體潤滑劑薄片78和絕緣薄片75就安置在工件70的底表面與下部模具76之間。絕緣薄片75安置在固體潤滑劑薄片78與下部模具76之間。另一絕緣薄片75安置在工件70頂表面的固體潤滑劑薄片78上。這樣一來，固體潤滑劑薄片78和絕緣薄片75就也安置在工件70的頂表面與上部模具74之間。絕緣薄片75安置在固體潤滑劑薄片78與上部模具74之間。圖7C示出安置在上部模具74與下部模具76的工作表面上的固體潤滑劑薄片78。絕緣薄片75安置在下部模具76的固體潤滑劑薄片78上。工件70安置在絕緣薄片75上，這樣使得絕緣薄片75和固體潤滑劑薄片78都安置在工件與下部模具76之間。另一絕緣薄片75安置在工件70的頂表面上，這樣使得絕緣薄片75和固體潤滑劑薄片78都安置在工件與上部模具74之間。圖7D示出安置在上部模具74與下部模具76的工作表面上的固體潤滑劑薄片78。絕緣薄片75安置在下部模具76的固體潤滑劑薄片78上。工件70包裹在固體潤滑劑薄片78中。工件70安置在絕緣薄片75上，這樣使得三個層都安置在工件70與下部模具76之間，也就是，固體潤滑劑薄片78、絕緣薄片75以及另一固體潤滑劑薄片78都安置在工件70與下部模具76之間。另一絕緣薄片75安置在工件70頂表面的固體潤滑劑薄片上，這樣使得三個層都安置在工件70與上部模具74之間，也就是，固體潤滑劑薄片78、絕緣薄片75以及另一固體潤滑劑薄片78都安置在工件70與上部模具74之間。雖然本文描述并說明了與鍛造設備中的工件和模具有關的各種構型的固體潤滑劑薄片和絕緣薄片，但所公開方法的實施方案并不限于明確公開的構型。這樣一來，本公開內容涵蓋了與工件和模具有關的各種其它構型的固體潤滑劑薄片和絕緣薄片。同樣，雖然本文公開了用于安置固體潤滑劑薄片和/或絕緣薄片的各種技術和技術的組合(例如，鋪放、覆蓋、包裹、粘合等)，但所公開方法并不限于明確公開的安置技術和安置技術的組合。舉例來說，在工件安置在鍛造設備中之前和/或之后，可使用鋪放、覆蓋、包裹、粘附等技術的各種其它組合來涂覆和安置與工件和模具有關的固體潤滑劑薄片和/或絕緣薄片。絕緣薄片可以是柔性的，并且能夠安置在鍛造模具和/或工件的空腔中，以及造型和非平面表面上。在各個實施方案中，絕緣薄片可包括編織的或非編織的陶瓷纖維毯、墊、紙、氈等。絕緣薄片可由陶瓷纖維(例如，金屬氧化物纖維)和殘留雜質組成，并且不含有粘合劑或有機添加劑。舉例來說，適合絕緣薄片可包括氧化鋁和二氧化硅纖維占大多數而其它氧化物占較少量的共混物。適用于本文所公開的方法的陶瓷纖維絕緣薄片包括，例如，可從 Unifrax, Niagara Falls, NewYork, USA 得到的各種FiberfraxiK^jWt在各個實施方案中，包括多個固體潤滑劑薄片的夾層結構可安置在鍛造設備中的工件與模具之間。舉例來說，包括兩層或更多層的固體潤滑劑薄片的夾層結構可安置在鍛造設備中的工件與模具之間。夾層結構還可包括一個或多個絕緣薄片。此外，可涂覆多個固體潤滑劑薄片來覆蓋更大區(qū)域。舉例來說，可涂覆兩個或更多個固體潤滑劑薄片至模具和/或工件，以便覆蓋比單個固體潤滑劑薄片可覆蓋的表面積大的表面積。這樣一來，可按重疊或非重疊的樣式涂覆兩個或更多個固體潤滑劑薄片至模具和/或工件。本文所公開的潤滑方法可用于任何溫度下的冷、溫以及熱鍛造操作。舉例來說，固體潤滑劑薄片可安置在鍛造設備中的工件與模具之間，在所述鍛造設備中在環(huán)境溫度下進行鍛造?；蛘?，可在固體潤滑劑安置在工件與模具之間之前或之后加熱工件和/或模具。在各個實 施方案中，可在固體潤滑劑薄片涂覆至模具之前或之后用焊接燈加熱鍛造設備中的模具?？稍诠腆w潤滑劑薄片涂覆至工件之前或之后在加熱爐中加熱工件。在各個實施方案中，當工件在大于1000° F的溫度下時，工件可能會產生塑性變形，其中固體潤滑劑薄片在所述溫度下保持潤滑性。在各個實施方案中，當工件在1000° F至2000° F的范圍內或任何其中的子范圍(例如，1000° F至1600° F或1200° F至1500° F)的溫度下時，工件可能會塑性變形，其中固體潤滑劑薄片在所述溫度下保持潤滑性。本文所公開的方法提供了一種用于鍛造潤滑的耐用方法。在各個實施方案中，在初始鍛造操作期間，固體潤滑劑薄片可將固體潤滑劑涂層沉積在模具上。所沉積的固體潤滑劑涂層在初始鍛造操作和一個或多個后續(xù)鍛造操作之后仍可留存。留存在模具上的固體潤滑劑涂層保持潤滑性，并且可在一個或多個附加鍛造操作期間對相同的工件和/或不同的工件提供有效的鍛造潤滑，而無需涂覆附加的固體潤滑劑薄片。在各個實施方案中，可在第一鍛造操作之前將固體潤滑劑薄片安置在工件與模具之間以使固體潤滑劑涂層沉積在模具上，并且可在預定數目個鍛造操作之后涂覆附加的固體潤滑劑薄片。這樣一來，可按照鍛造操作的數目來確立用于涂覆固體潤滑劑薄片的工作循環(huán)，這些鍛造操作可在并不附加涂覆固體潤滑劑薄片的情況下進行，而同時保持可接受的潤滑性和鍛造潤滑。然后可在每個工作循環(huán)之后涂覆附加的固體潤滑劑薄片。在各個實施方案中，初始固體潤滑劑薄片可以是相對厚的，以使初始固體潤滑劑涂層沉積在模具上，并且隨后涂覆的固體潤滑劑薄片可以是相對薄的，以保持所沉積的固體潤滑劑涂層。本文所公開的方法適用于鍛造不同的金屬材料，例如鈦、鈦合金、鋯以及鋯合金。此外，本文所公開的方法適用于鍛造金屬間材料、非金屬可變形材料以及多組分體系(例如，金屬封裝的陶瓷)。本文所公開的方法適用于鍛造不同類型的工件，例如鑄錠、鋼坯、棒材、板材、管、燒結的預成型件等。本文所公開的方法還適用于成型或近似成型物品的凈形和近凈形鍛造。在各個實施方案中，本文所公開的方法的特征可在于剪切摩擦因子(m)小于或等于O. 50、小于或等于O. 45、小于或等于O. 40、小于或等于O. 35、小于或等于O. 30、小于或等于O. 25、小于或等于O. 20、小于或等于O. 15、或小于或等于O. 10。在各個實施方案中，本文所公開的潤滑方法的特征可在于剪切因子在O. 05至O. 50的范圍或任何其中的子范圍(例如，O. 09至O. 15)內。這樣一來，本文所公開的潤滑方法在鍛造操作中大體上減小了模具與工件之間的摩擦力。 在各個實施方案中，本文所公開的潤滑方法可在鍛造操作中減少或消除鎖模、黏模和/或工件磨損的發(fā)生。當鍛造操作中還使用絕緣薄片時，涂覆液體或顆粒狀的潤滑劑不容易，但是所公開的潤滑方法允許同時使用絕緣薄片，這就大體上減少了從工件到模具的熱量損失。在每個鍛造操作之后，液體或顆粒狀的潤滑劑還傾向于在模具和工件的表面上變稀薄并且分散，但鍛造操作中固體潤滑劑薄片可在模具與工件之間產生穩(wěn)定的障礙物。在鍛造條件下，固態(tài)潤滑劑(例如，石墨、二硫化鑰、二硫化鎢以及氮化硼)相對于金屬模具和工件還通常是化學上惰性的和非磨蝕性的。在各個實施方案中，可在鍛造操作期間將在模具和工件上沉積的固體潤滑劑從固體潤滑劑薄片去除。舉例來說，可通過在氧化氣氛中(例如，在加熱爐中)加熱來將沉積的石墨從模具和工件的表面上輕松地去除。還可通過洗滌工序來去除沉積的固體潤滑劑。下文的說明性和非限制性實施例旨在進一步在并不限制實施方案的范圍的情況下描述各個非限制性實施方案。本領域的普通技術人員將領會到實施例的變化在如由權利要求書所限定的發(fā)明范圍內是可能的。
實施例實施例I使用圓環(huán)壓縮試驗來評估固體石墨薄片作為用于開模擠壓鍛造Ti-6A1_4V合金(ASTM 5級)的潤滑劑的潤滑性和其有效性。舉例來說，Atlan等人所著的Metal ForminR Fundamentals and Applications 中的第 6 章，F(xiàn)riction in Metal Forming, ASM : 1993 中大體描述了圓環(huán)壓縮試驗，所述文獻以引用的方法并入本文。使用圓環(huán)壓縮試驗來測量被量化為系統(tǒng)的剪切因子(m)的潤滑性，在所述試驗中將扁平環(huán)狀的試樣壓縮到預定減少量的高度。壓縮環(huán)的內徑和外徑的變化取決于模具/試樣界面上的摩擦力。圖8中不出圓環(huán)壓縮試驗的一般設置。環(huán)80 (以橫截面不出)安置在兩個模具84與86之間，并且從初始高度軸向地壓縮到變形后高度。如果環(huán)80與模具84和86之間不存在摩擦力，環(huán)80將在材料以恒定速率沿著如由箭頭81所指示的軸向方向從中性平面83徑向向外流動后變形為固體盤。圖9(a)中示出壓縮之前的環(huán)。在無摩擦的或最小摩擦的壓縮的情況下，不發(fā)生滾磨(圖9(b))。如果摩擦力相對低，壓縮后的環(huán)的內徑增加(圖9 (c))，并且如果摩擦力相對高，內徑減小(圖9(d)和圖9(e))。圖IOA示出環(huán)試樣100壓縮之前的截面，圖IOB示出在相對低的摩擦力條件下壓縮之后的環(huán)100，并且圖IOC示出在相對高的摩擦力條件下壓縮之后的環(huán)100。將壓縮環(huán)的內徑(在滾磨的內凸起頂點之間所測量的)變化與使用不同剪切因子預測出的內徑的值相比較。可測定壓縮后的內徑與剪切因子之間的相關性，例如，使用運算有限元方法(FEM)來模擬對于預定材料在預定的鍛造條件下具有滾磨的圓環(huán)壓縮中的金屬流動。這樣一來，可測定用于表征摩擦力，并且通過伸展來表征測試系統(tǒng)的潤滑性的圓環(huán)壓縮試驗的剪切因子。使用內徑為I. 25"、外徑為2. 50"以及高度為I. 00"的Ti_6Al_4V合金(ASTM 5級)的環(huán)(圖IlA和圖IlB進行圓環(huán)壓縮試驗。將環(huán)加熱至1200° F至1500° F范圍內的溫度，并且在開模擠壓鍛造設備中壓縮至O. 50"的變形后高度。使用可從ScientificForming TechnoIogiesCorporation, Columbus, Ohio, USA 得到的 DEFORM 金屬成型加工模擬軟件來測定壓縮后的內徑(ID)與剪切因子(m)之間的相關性。圖12中所呈現(xiàn)的圖形中示出相關性。將環(huán)在以下情況下壓縮(I)在無潤滑劑且在400° F至600° F模具之間，(2)在具有玻璃潤滑劑(可從 Advanced Technical Products, Cincinnati, Ohio, USA 得到的ATP300玻璃料)且在400° F至600° F模具之間，(3)在無潤滑劑且在1500° F模具之間，(4)在具有玻璃潤滑劑且在1500° F模具之間，以及(5)在具有固體潤滑劑薄片(可從DARIndustrial Products, Inc. ,West Conshohocken,Pennsylvania,USA得到的B級石墨薄片(以重量計>98%的石墨))且在400° F至600° F模具之間。當使用玻璃潤滑劑時，在加熱爐中將環(huán)加熱至鍛造溫度之前，通過安置和整平一層玻璃粉來將玻璃潤滑劑涂覆至下部模具的頂表面和環(huán)的頂表面。當使用固體潤滑劑薄片時，將其安置在下部模具與環(huán)的底表面之間，并且安置在環(huán)的頂表面上。壓縮后的內徑和對應的剪切因子記錄在下表I中。表I
權利要求
1.一種鍛造潤滑方法，其包括 將固體潤滑劑薄片安置在鍛造設備中的工件與模具之間；及 用所述模具向所述工件施加力以使所述工件塑性變形。
2.如權利要求I所述的方法，其中在鍛造期間所述模具與所述工件之間的剪切因子小于 O. 50。
3.如權利要求I所述的方法，其中在鍛造期間所述模具與所述工件之間的剪切因子小于 O. 20。
4.如權利要求I所述的方法，其中在鍛造期間所述模具與所述工件之間的剪切因子小于 O. 15。
5.如權利要求I所述的方法，其中在鍛造期間所述模具與所述工件之間的剪切因子是在O. 05至O. 50的范圍內。
6.如權利要求I所述的方法，其中在鍛造期間所述模具與所述工件之間的剪切因子是在O. 09至O. 20的范圍內。
7.如權利要求I所述的方法，其中所述固體潤滑劑薄片包括選自由以下組成的組的固態(tài)潤滑劑材料石墨、二硫化鑰、二硫化鎢以及氮化硼。
8.如權利要求I所述的方法，其中所述固體潤滑劑薄片是固體石墨薄片。
9.如權利要求I所述的方法，其中將固體潤滑劑薄片安置在鍛造設備中的工件與模具之間包括 將所述固體潤滑劑薄片安置在所述模具的表面上；及 將所述工件安置在所述固體潤滑劑薄片上。
10.如權利要求I所述的方法，其中將固體潤滑劑薄片安置在鍛造設備中的工件與模具之間包括 將所述固體潤滑劑薄片安置在下部模具的表面上；及 將所述工件安置在所述固體潤滑劑薄片上， 其中所述潤滑劑薄片安置在所述鍛造設備中的所述工件的底表面與所述下部模具之間。
11.如權利要求10所述的方法，進一步包括將附加的固體潤滑劑薄片安置在所述工件的頂表面上。
12.如權利要求I所述的方法，其中將固體潤滑劑薄片安置在鍛造設備中的工件與模具之間包括 在所述工件放入所述鍛造設備之前，將所述固體潤滑劑薄片安置在所述工件上。
13.如權利要求I所述的方法，進一步包括在所述固體潤滑劑薄片安置在所述鍛造設備中的工件與所述模具之間之前，加熱所述模具。
14.如權利要求I所述的方法，其中當所述工件在大于1000°F的溫度下時，用所述模具向所述工件施加力以使所述工件發(fā)生塑性變形。
15.如權利要求I所述的方法，其中當所述工件在1000°F至2000° F的范圍內的溫度下時，用所述模具向所述工件施加力以使所述工件發(fā)生塑性變形。
16.如權利要求I所述的方法，其中當所述工件在1000°F至1600° F的范圍內的溫度下時，用所述模具向所述工件施加力以使所述工件發(fā)生塑性變形。
17.如權利要求I所述的方法，其中在選自由以下組成的組的鍛造方法中使所述工件塑性變形開模鍛造、閉模鍛造、正向擠壓、反向擠壓、徑向鍛造、頂部鍛造以及拉拔式鍛造。
18.如權利要求I所述的方法，其中在近凈形鍛造方法中使所述工件塑性變形。
19.如權利要求I所述的方法，其中所述工件包括鈦合金。
20.如權利要求I所述的方法，其中所述工件包括鋯合金。
21.如權利要求I所述的方法，進一步包括在所述工件塑性變形后，將殘留固體潤滑劑從所述工件中去除。
22.如權利要求I所述的方法，其中所述固體潤滑劑薄片防止所述工件鎖模至所述模具。
23.一種鍛造潤滑方法，其包括 將固體石墨薄片安置在鍛造設備中的工件與模具之間，所述工件包括鈦、鈦合金、鋯或錯合金；及 用所述模具向所述工件施加力以使所述工件塑性變形， 其中在鍛造期間所述工件是在1000° F至2000° F的范圍內的溫度下，并且在鍛造期間所述模具與所述工件之間的剪切因子小于O. 50。
24.如權利要求19所述的方法，其中在鍛造期間所述工件是在1000°F至1600° F的范圍內的溫度下，并且在鍛造期間所述模具與所述工件之間的剪切因子是在O. 09至O. 20的范圍內。
全文摘要
本發(fā)明公開了多種鍛造潤滑方法。將固體潤滑劑(38)薄片安置在鍛造設備中的工件(30)與模具(34、36)之間。用模具(34、36)向工件(30)施加力以使工件塑性變形。固體潤滑劑薄片(38)減小了鍛造系統(tǒng)的剪切因子，并且減少了鎖模的發(fā)生。
文檔編號B21C23/32GK102939174SQ201180029431
公開日2013年2月20日 申請日期2011年5月16日 優(yōu)先權日2010年6月14日
發(fā)明者S.奧本海默, R.M.福布斯.瓊斯, J.曼蒂奧尼, R.米尼桑德拉姆, J-P.托馬斯 申請人:Ati資產公司