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鍛造加熱缺陷分析及工藝預(yù)防措施
作者：admin
發(fā)布時間：24-01-09
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鍛造中，金屬坯料鍛前大部分需要加熱，以改善金屬塑性及變形抗力。金屬的鍛前加熱是鍛件生產(chǎn)過程中的重要工序。如果有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的材料加熱時，在一定的溫度區(qū)間有相態(tài)轉(zhuǎn)變，正確地利用這一規(guī)律，恰當?shù)剡x擇加熱溫度，就可以使金屬坯料在塑性較好的組織狀態(tài)下進行成形。
1、加熱方法種類及比較
通常加熱方法主要有火焰加熱法和電加熱法兩大類。生產(chǎn)實踐表明，二者各有優(yōu)缺點?；鹧婕訜岬膬?yōu)點：燃料來源廣，爐子修造容易，費用較低，加熱的適應(yīng)性強等。缺點：勞動條件差，加熱速度慢，加熱質(zhì)量較難控制等。電加熱的優(yōu)點：升溫快（如感應(yīng)電加熱等），爐溫容易控制（如電阻爐），氧化，脫碳少，勞動條件好，便于實現(xiàn)機械化、自動化。缺點：對坯料尺寸、形狀變化的適應(yīng)性不強，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投資費用較大。
2、鍛造加熱缺陷原因分析及防止措施
2.1 氧化
氧化過程屬于擴散過程。鋼料表層的鐵以離子狀態(tài)由內(nèi)部向表面擴散，而爐中的氧化性氣體以原子狀態(tài)吸附到鋼料表面并向內(nèi)部擴散，形成氧化皮。通常擴散過程是由外向內(nèi)逐漸減弱的，因此氧化皮是由三層不同的氧化鐵組成。
氧化主要受內(nèi)因（如鋼料的化學成分和幾何尺寸等）和外因（如爐氣成分、加熱溫度和時間）的影響。對于一定的金屬材料，減少或消除氧化主要是控制外因。相對表面積越大，則氧化皮越多。
（1）爐氣成分火焰爐的爐氣成分通常有氧化性氣體、還原性氣體（CO、H2）和中性氣體（N2）。如果爐氣呈氧化性時，易產(chǎn)生較厚的氧化層，而爐氣呈還原性時，即使產(chǎn)生氧化層，其厚度也較薄，甚至可忽略。具體爐氣呈氧化性還是還原性與空氣供給有直接關(guān)系。
（2）加熱溫度隨著加熱溫度的逐步升高，金屬氧化擴散速度也相應(yīng)加快，氧化燒損也相應(yīng)加大，從而形成較厚的氧化皮。一般情況下，600℃以下時金屬氧化速度很慢，但當溫度超過800℃時，氧化加劇，其關(guān)系如圖1所示。
（3）加熱時間鋼料處在氧化性介質(zhì)中的加熱時間越長，氧化擴散量越大，于是形成的氧化皮也越厚。特別是高溫階段的加熱時間越長時，其影響更大。金屬的氧化燒損危害很大，一般情況下，鋼料每加熱一次便有1.2%~3%的金屬燒損（見表1）。同時氧化皮還加劇模具的磨損，降低鍛件的表面質(zhì)量。殘留氧化皮的鍛件，在機加工時刀具刃口很快磨損。因此，減少或消除加熱時金屬的氧化燒損對鍛造生產(chǎn)來說非常重要。
在加熱工藝上通常采用快速加熱，并縮短加熱時間等措施減少燒損。采用無氧化加熱是減少和消除氧化的有利措施之一。
2.2 脫碳
脫碳是擴散作用的結(jié)果，一方面爐氣中的氧向鋼內(nèi)擴散；另一方面鋼中的碳向外擴散，這樣便使鋼表面形成了含碳量低的脫碳層。從整個過程來看，脫碳層只在脫碳速度超過氧化速度時才能形成，或者說，在氧化作用相對較弱的情況下，可形成較深的脫碳層。
脫碳主要受鋼的化學成分等內(nèi)因和加熱時的爐氣成分、加熱溫度和時間等方面的影響。
脫碳對金屬構(gòu)件性能的影響：
（1）對于需要淬火的金屬構(gòu)件，脫碳使其表層的含碳量降低，淬火后得不到要求的硬度。
（2）脫碳使鋼件的疲勞強度降低，高速鋼表面脫碳后使其熱硬性下降。
（3）零件上不加工部分有脫碳層時，將使其性能降低；在零件加工部分的脫碳層，如其深度在加工余量的范圍內(nèi)，可再加工時去掉。如果超出加工余量的范圍，將殘留脫碳層，從而引起零件性能的不均，造成報廢。
一般用來減少氧化的措施，同樣可以用于防止脫碳。
2.3 過熱
至于晶粒粗大到什么程度才算過熱，應(yīng)視具體材料而有所不同。如碳鋼（包括亞共析鋼和過共析鋼）以直接冷卻后晶粒粗大并出現(xiàn)魏氏組織作為判斷其是否過熱的組織標志；馬氏體、貝氏體鋼過熱之后，除晶粒粗大外還常出現(xiàn)晶內(nèi)織構(gòu)組織；高合金鋼或高速鋼過熱后晶粒粗大且一次碳化物角狀化；鈦合金過熱后，不但晶粒粗大，而且還出現(xiàn)明顯的β晶界和平直細長的魏氏組織。
鋼在不同溫度下晶粒度的變化情況如圖2所示。
鋼料的過熱溫度主要取決于其化學成分。對于不同的鋼種，其過熱溫度也不同（見表2）。
通常，鋼中有些合金元素會增加其過熱傾向，如C、Mn、S、P等元素，而Ti、W、V、N等元素可減小鋼的過熱傾向。
生產(chǎn)實踐表明，某些鋼的過熱對鍛造過程的影響不是很大，甚至過熱較嚴重的鋼材，在足夠大的變形程度下一般可以消除。過熱的結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)正常熱處理之后，其組織可以改善，性能也隨之恢復(fù)。但是，有些過熱的鋼，如果鍛造時的變形程度較小，終鍛溫度偏高，則鍛后將出現(xiàn)非正常組織（即過熱組織）。
由于過熱的組織晶粒粗大，會引起力學性能尤其是沖擊韌度的降低。這是因為與細晶粒相比，粗晶粒鋼晶界面積減少，從而使晶界雜質(zhì)密度增加，晶粒間的結(jié)合力減弱。
近年來研究表明，合金結(jié)構(gòu)鋼容易產(chǎn)生穩(wěn)定過熱，如45鋼、9Cr18不銹鋼、GCr15軸承鋼、60Si2Mn彈簧鋼、高速鋼等常產(chǎn)生穩(wěn)定過熱。因此，為避免鍛件產(chǎn)生穩(wěn)定過熱，在鍛造工藝上通常采用如下措施：
（1）控制加熱溫度，盡量縮短高溫和保溫時間。加熱時，坯料不要放在爐內(nèi)局部高溫區(qū)。
（2）在鍛造時要使鍛件有足夠的變形量，以破碎粗大的奧氏體晶粒。對于需要預(yù)制坯的模鍛件，應(yīng)保證鍛件各部分有適當?shù)淖冃瘟俊?/p>
（3）過熱后冷卻速度要控制好。
2.4 過燒
過燒鋼斷面呈淺灰藍色，晶粒粗大似豆腐渣狀。工模具鋼（高速鋼、Cr12MoV鋼等）過燒時，晶界因熔化而出現(xiàn)魚骨狀萊氏體。鋁合金過燒時出現(xiàn)熔化三角區(qū)和復(fù)熔球等。
鍛造時過燒的坯料一擊就碎，因此過燒是加熱時的致命缺陷。雖然極少數(shù)微過燒的鋼，經(jīng)高溫長時間退火，再經(jīng)大變形量鍛造后可得到補救，但一般是不能用熱處理或熱加工方法來補救的。局部過燒的鋼，當制造不太重要的零件時，可將過燒部分切去，其余部分可以繼續(xù)使用。
鋼的過燒溫度主要受其化學成分的影響，并且因不同的鋼種而異（見表3）。
通常鋼中的Ni、Mo等元素易使其產(chǎn)生過燒，而Al、Cr、W等元素則能減小其過燒。
減少和防止過燒的辦法是嚴格遵守加熱規(guī)范，特別是要控制出爐溫度及在高溫時的停留時間。
2. 5 裂紋
如果鋼在加熱過程的某一溫度下，內(nèi)應(yīng)力超過強度極限，那么就要產(chǎn)生裂紋。通常內(nèi)應(yīng)力有溫度應(yīng)力、組織應(yīng)力和殘留應(yīng)力。
（1） 溫度應(yīng)力 溫度應(yīng)力大小與鋼的性質(zhì)、斷面溫差有關(guān)。一般只有在鋼料出現(xiàn)溫度梯度，且處于彈性狀態(tài)時，才會產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力并引起開裂。鋼的溫度低于550℃時處于彈性狀態(tài)，因此當其處于這個溫度范圍以下時，溫度應(yīng)力的影響就顯得較為突出。當溫度應(yīng)力超過了強度極限，就會產(chǎn)生裂紋而造成鋼料的破壞。當溫度超過550℃時，鋼料塑性較好，抗力較低，通過局部塑性變形可以使溫度應(yīng)力得到部分消除，此時就不會造成鋼料破壞了。
溫度應(yīng)力一般都是三向應(yīng)力狀態(tài)。生產(chǎn)實踐和理論計算表明，圓柱坯料中心部分產(chǎn)生的軸向溫度應(yīng)力較切向和徑向溫度應(yīng)力都大（且是拉應(yīng)力），因此鋼料加熱時心部產(chǎn)生裂紋的傾向性較大。
研究表明，溫度應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律與斷面溫差隨時間的變化規(guī)律相同。鋼料的斷面尺寸越大，則其溫差也越大，因而產(chǎn)生的溫差應(yīng)力也越大。
（2）組織應(yīng)力組織應(yīng)力也是三向應(yīng)力狀態(tài)，其中切向應(yīng)力最大。隨溫度的升高，表層先發(fā)生相變，由珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，比容減小，于是在表層引起拉應(yīng)力，心部為壓應(yīng)力。此時組織應(yīng)力與溫度應(yīng)力反向，使總的應(yīng)力值減小。當溫度繼續(xù)升高時，心部也發(fā)生相變，此時引起的組織應(yīng)力是心部為拉應(yīng)力，表層為壓應(yīng)力，雖然與溫度應(yīng)力同向，使總的應(yīng)力值增大，但這時鋼料已接近高溫，不會造成開裂。
（3）殘留應(yīng)力鋼錠在凝固和冷卻過程中，由于外層和中心冷卻次序的不同，各部分間的相互牽制還要產(chǎn)生殘留應(yīng)力。外層冷卻快，中心冷卻慢，因此殘留應(yīng)力在外層為壓應(yīng)力，在中心部分為拉應(yīng)力，其符號與溫度應(yīng)力相同，因此鋼錠加熱時，對殘留應(yīng)力應(yīng)給予足夠的重視。
總之，鋼料的加熱，特別是500℃以下加熱時，應(yīng)避免加熱速度過快，此時鋼料的塑性較低，溫度應(yīng)力較大，在溫度應(yīng)力和坯料中原有應(yīng)力的共同作用下，有可能產(chǎn)生裂紋。為防止裂紋的產(chǎn)生，對鋼料的加熱，特別是斷面尺寸大的鋼錠和導熱性差的高合金鋼的加熱，其低溫階段必須緩慢加熱，并且制定和遵守正確的加熱規(guī)范。
3、結(jié)語
金屬材料加熱涉及理論極為廣泛，實踐中注意的事項也很多，控制不好就會造成嚴重損失，尤其是比較昂貴的金屬材料。因此，在實際生產(chǎn)中必須按加熱規(guī)范操作，嚴格控制加熱過程，才能達到預(yù)期效果。
作者：文/陽泉煤業(yè)集團華越機械有限公司陳迎華
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