一种钢的半固态坯料制备方法技术领域
本发明涉及一种钢的半固态坯料制备方法，属于半固态坯料制备领域。
背景技术
20世纪70年代，Flemings等提出了金属半固态成形技术(Semi-Solid Mental
Forming Processes, SSM)。与常规金属成形工艺相比较，金属半固态成形具有很多优点，
能以较高速度成形获得内部组织性能好、尺寸精度高的复杂金属零件，被专家们称为21世
纪新兴的金属制造关键技术之一，而制备具有均匀细小的等轴非枝晶组织、既有较高固相
率（便于夹持）、又具有相当低的剪切流动应力（便于充型）的半固态坯料是金属半固态触变
成形的基础与关键, 也是半固态成形研究领域的重要课题。
目前，常用的半固态坯料制备方法有：搅拌法（机械搅拌法、电磁搅拌法等）、非搅
拌法（旋转冷却针法、SSIT法等）和固相法（SIMA法、形变热处理法、粉末冶金法等）。但是，这
些方法目前多用于制备铝合金、镁合金等低熔点合金的半固态坯料。
由于钢的熔点高，固液线温度区间相对较小，因此对加工设备的耐高温性能要求
较高，且其流变特性不易测定，导致其半固态坯料的制备困难；目前用于钢的半固态坯料制
备方法有机械搅拌法，电磁搅拌法，倾斜板冷却法，应变诱导熔体活化法(Strain Induced
Melt Activation, SIMA)等。其中机械搅拌法搅拌器直接与熔体接触，容易受到熔体侵蚀,
寿命短,并会对熔体产生污染；电磁搅拌法则需要电磁搅拌设备，费用昂贵，成本高；采用搅
拌法、倾斜冷却板法等凝固的方法，一般会出现气孔，缩松，成分偏析等微观缺陷，并且常应
用于半固态流变成形的制浆；而应变诱导熔体活化法(Strain Induced Melt Activation,
SIMA)将固体坯料进行大的塑性变形，以获得晶粒细小的SIMA原料，再将其加热到固液两相
区保温一段时间，它制备出的金属半固态坯料较为纯净，且生产效率高，它不仅适用于低熔
点合金而且可用于高熔点合金材料的半固态坯料的制备，但是，SIMA法中塑性变形常用的
方法有镦粗，挤压，等径角挤压，模锻等。
镦粗，挤压等常规方法制备半固态坯料时，存在变形量小，变形不均匀等缺点最后
导致制备出来的半固态坯料组织球化率低，晶粒大小不均匀。等径角挤压，模锻等新方法，
具有变形量大，但需要制造模具，增加了成本，对设备要求也较高;且多用于铝、镁等低熔点
合金的半固态坯料的制备。但是对于钢铁等高熔点合金材料，它的半固态坯料的制备将更
加困难。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种钢的半固态坯料制备方法，该方法操作
简单，效率高，工艺流程短，设备要求低，成本低，且能够制备出组织均匀细小，球化率好，固
相分数为20%~60%的半固态坯料。
本发明采用的技术方案是：一种钢的半固态坯料制备方法，包括如下具体制备步
骤：
1）将高温电阻炉加热至1100℃~1200℃，再将已精确下料的钢坯料放入电阻炉中进行
加热保温，保温时间为：t=0.5D~0.7D，单位为：min, D—坯料最大截面的尺寸，单位为：mm；
2）将坯料夹持到锻锤的下砧板上，沿坯料的轴向进行镦粗变形，使之达到设定的变形
量；
3）镦粗完成后，将坯料拔长锻造，恢复至坯料初始尺寸；
4）在锻造温度范围内,多次重复步骤2）、3），然后将坯料快速冷却至室温；
5）迅速将高温电阻炉的炉温达到钢的半固态温度1250℃~1450℃，将镦拔后的坯料放
入高温电阻炉内加热保温，获得钢的半固态坯料。
上述的钢的半固态坯料制备方法中，步骤2）中，设定的变形量不小于20%。
上述的钢的半固态坯料制备方法中，步骤4）中，重复步骤2）、3）2-5次，坯料的终锻
温度为：800℃~850℃。
上述的钢的半固态坯料制备方法中，步骤4）中，在重复步骤2）、3）过程中，次数未
达到而坯料温度低于终锻温度时,将坯料放回高温电阻炉中进行加热、保温，然后继续重复
步骤2）、3）。
上述的钢的半固态坯料制备方法中，步骤5）中，将高温电阻炉以5℃/min ~15℃/
min的升温速度升温。
上述的钢的半固态坯料制备方法中，步骤5）中，向高温电阻炉内通入惰性气体或
抽真空，坯料在惰性气体或抽真空状态下保温5min~30min。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明的方法只需钢在锻造温度范围内进行轴向多道次镦拔达到大塑性变形，以
细化晶粒、储存变形能，结合半固态温度的等温处理局部熔化、球化坯料，即可制备出合格
的钢的半固态坯料；工艺步骤简单，成本低；同时，对设备要求低，大型设备只需锻锤和高温
电阻炉；此外，该方法涉及的是传统的自由锻造和半固态等温处理，故本方法简单，易操作。
（2）本发明可实现坯料的大塑性变形，使枝晶破碎，细化晶粒，储存大量变形能，达
到应变诱导效果；此外，在镦拔前，我们通过锻造比来控制变形量，规范了镦拔过程中的镦
粗拔长尺寸，保证变形量在20%以上，结合随后的半固态等温处理，可获得组织均匀细小，球
化率好，固相分数合理的半固态坯料。本发明不需制造制坯模具，简化了工艺，降低了成本。
（3）本发明制备的钢的半固态坯料可以直接用于半固态触变成形，省去了二次加
热过程，简化了工艺流程，节约成本；也可以快速冷却至室温，保存半固态坯料。
（4）本发明能有效解决钢的固液线温度区间较小，受加工设备高温性能局限性的
影响较大，较难获得非枝晶组织，流变特性不易测定等技术难题，实现高质量钢的半固态坯
料的制备。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
图2是总锻比为13.8，三镦三拔快速冷却后的轴承钢微观组织。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
如图1所示，本实施例采用100Cr6轴承钢为例，其半固态坯料的制备方法如下：
（1）通过查文献所得100Cr6轴承钢的锻造温度范围为800℃~1100℃；固相温度点1307
℃，液相温度点1491℃。
（2）将高温电阻炉加热至始锻温度1100℃，再将已精确下料的100Cr6轴承钢坯料，
采用线切割的方法对原材料切割，坯料尺寸Φ50mm×90mm，放入高温电阻炉中，保温大约
30min。
（3）将经过步骤2）处理的100Cr6轴承钢夹持到400公斤空气锤的下砧板上，采用宽
平砧镦拔法，锻造比为2.3，将坯料镦粗，终锻温度800℃。
（4）镦粗完成后，将坯料拔长锻造，恢复至原坯料尺寸Φ50mm×90mm。
（5）在锻造温度范围内，重复步骤（3）、（4）3次；坯料的终锻温度800℃，实验过程
中，采用红外测温仪测量温度，采用钢尺，卡尺测量尺寸，坯料温度低于终锻温度时回炉再
次加热保温，然后将坯料淬火至室温。
（6）将高温电阻炉通入氩气并以15℃/min的升温速度，迅速将炉温达到半固态温
度1390℃，并保持温度恒定，然后将镦拔后的坯料运送到高温电阻炉内，在氩气保护下保温
5 min ~30min，获得100Cr6轴承钢的半固态坯料。
如图2所示，结果表明本发明能够制备出组织均匀细小，晶粒尺寸在100μm以下，球
化好，固相分数在20%~60%的钢的半固态坯料。本发明还具有操作简单，变形量大，变形易控
制，对设备要求低，成本低的优点。
实施例2
本实施例采用60Si2Mn弹簧钢为例，其半固态坯料的制备方法如下：
（1）通过查文献所得60Si2Mn弹簧钢的锻造温度范围为850℃~1200℃；固相温度点1410
℃，液相温度点1480℃。
（2）将高温电阻炉加热至始锻温度1200℃，再将精确下料好的坯料，采用线切割的
方法对原材料切割，坯料尺寸Φ50mm×90mm，放入高温电阻炉中，保温大约30min。
（3）将经过步骤2）处理的60Si2Mn弹簧钢夹持到400公斤空气锤的下砧板上，采用
宽平砧镦拔法，锻造比为2，将坯料镦粗，终锻温度850℃。
（4）镦粗完成后，将坯料拔长锻造，恢复至原坯料尺寸Φ50mm×90mm，终锻温度850
℃。
（5）在锻造温度范围内，重复步骤（3）、（4）次；坯料的终锻温度850℃，实验过程中，
采用红外测温仪测量温度，采用钢尺，卡尺测量尺寸，坯料温度低于终锻温度时回炉再次加
热保温，然后将坯料淬火至室温。
（6）将高温电阻炉抽真空并以10℃/min的升温速度，迅速将炉温达到半固态温度
1450℃，并保持温度恒定，然后将坯料运送到高温电阻炉内，在真空保护下保温5 min ~
30min，获得60Si2Mn弹簧钢的半固态坯料。
实施例3
本实施例采用X210CrW12工具钢为例，其半固态坯料的制备方法如下：
（1）通过查文献所得X210CrW12工具钢的锻造温度范围为850℃~1150℃；固相温度点
1200℃，液相温度点1400℃。
（2）将高温电阻炉加热至始锻温度1150℃，再将精确下料好的坯料，采用线切割的
方法对原材料切割，坯料尺寸Φ50mm×90mm，放入高温电阻炉中，保温大约30min。
（3）将经过步骤2）处理的X210CrW12工具钢夹持到400公斤空气锤的下砧板上，采
用宽平砧镦拔法，锻造比为2，将坯料镦粗，终锻温度850℃。
（4）镦粗完成后，将坯料拔长锻造，恢复至原坯料尺寸Φ50mm×90mm，终锻温度850
℃。
（5）在锻造温度范围内，重复步骤（3）、（4）5次；坯料的终锻温度850℃，实验过程
中，采用红外测温仪测量温度，采用钢尺，卡尺测量尺寸，坯料温度低于终锻温度时回炉再
次加热保温，然后将坯料淬火至室温。
在重复步骤2）、3）过程中，重复次数尚未达到5次，而坯料温度低于终锻温度时,将
坯料放回高温电阻炉中进行加热、保温，然后继续重复步骤2）、3）。
（6）将高温电阻炉抽真空并以5℃/min的升温速度，迅速将炉温达到半固态温度
1250℃，并保持温度恒定，然后将坯料运送到高温电阻炉内，在真空保护下保温5min ~
30min，获得X210CrW12工具钢的半固态坯料。