金属大型锻件热处理论文

小论大型锻件热处理
大型锻件是指用1000t或更大吨位水压机生产的锻件。

随着大型锻件的尺寸和重量的增加，热处理时有效厚度也随之发生变化。

由于截面的增大，不可避免地存在成分偏析、非金属夹杂、显微空隙等冶金缺陷，再加上相变潜热的影响，在加热和冷却过程中产生的应力较大，极易引工件的畸变和开裂，本文对大型锻件的热处理工艺参数进行了优化，并取得了显著经济效果。

一、大型锻件热处理可以解决的缺陷通常有以下几种
1.大晶粒
大晶粒通常是由于始锻温度过高和变形程度不足、或终锻温度过高、或变形程度落人临界变形区引起的。

铝合金变形程度过大，形成织构；高温合金变形温度过低，形成混合变形组织时也可能引起粗大晶粒，晶粒粗大将使锻件的塑性和韧性降低，疲劳性能明显下降。

2.晶粒不均匀
晶粒不均匀是指锻件某些部位的晶粒特别粗大，某些部位却较小。

产生晶粒不均匀的主要原因是坯料各处的变形不均匀使晶粒破碎程度不一，或局部区域的变形程度落人临界变形区，或高温合金局部加工硬化，或淬火加热时局部晶粒粗大。

耐热钢及高温合金对晶粒不均匀特别敏感。

晶粒不均匀将使锻件的持久性能、疲劳性能明显下降。

3.冷硬现象
变形时由于温度偏低或变形速度太快，以及锻后冷却过快，均可能使再结晶引起的软化跟不上变形引起的强化（硬化），从而使热锻后锻件内部仍部分保留冷变形组织。

这种组织的存在提高了锻件的强度和硬度，但降低了塑性和韧性。

严重的冷硬现象可能引起锻裂。

4.裂纹
裂纹通常是锻造时存在较大的拉应力、切应力或附加拉应力引起的。

裂纹发生的部位通常是在坯料应力最大、厚度最薄的部位。

如果坯料表面和内部有微裂纹、或坯料内存在组织缺陷，或热加工温度不当使材料塑性降低，或变形速度过快、变形程度过大，超过材料允许的塑性指针等，则在撤粗、拔长、冲孔、扩孔、弯曲和挤压等工序中都可能产生裂纹。

5.龟裂
龟裂是在锻件表面呈现较浅的龟状裂纹。

在锻件成形中受拉应力的表面（例如，未充满的凸出部分或受弯曲的部分）最容易产生这种缺陷。

引起龟裂的内因可能是多方面的：①原材料合cu、sn等易熔元素过多。

②高温长时间加热时，钢料表面有铜析出、表面晶粒粗大、脱碳、或经过多次加热的表面。

③燃料含硫量过高，有硫渗人钢料表面。

6.飞边裂纹
飞边裂纹是模锻及切边时在分模面处产生的裂纹。

飞边裂纹产生的原因可能是：①在模锻操作中由于重击使金属强烈流动产生穿筋现象。

②镁合金模锻件切边温度过低；铜合金模锻件切边温度过高。

7.铸造组织残留
铸造组织残留主要出现在用铸锭作坯料的锻件中。

铸态组织主要残留在锻件的困难变形区。

锻造比不够和锻造方法不当是铸造组织残留产生的主要原因，
铸造组织残留会使锻件的性能下降，尤其是冲击韧度和疲劳性能等。

8.碳化物偏析级别不符要求
碳化物偏析级别不符要求主要出现于莱氏体工模具钢中。

主要是锻件中的碳化物分布不均匀，呈大块状集中分布或呈网状分布。

造成这种缺陷的主要原因是原材料碳化物偏析级别差，加之改锻时锻比不够或锻造方法不当。

具有这种缺陷的锻件，热处理淬火时容易局部过热和淬裂。

制成的刃具和模具使用时易崩刃等。

13.带状组织
带状组织是铁素体和珠光体、铁素体和奥氏体、铁素体和贝氏体以及铁素体和马氏体在锻件中呈带状分布的一种组织，它们多出现在亚共折钢、奥氏体钢和半马氏体钢中。

这种组织，是在两相共存的情况下锻造变形时产生的带状组织能降低材料的横向塑性指针，特别是冲击韧性。

在锻造或零件工作时常易沿铁素体带或两相的交界处开裂。

14.局部充填不足
局部充填不足主要发生在筋肋、凸角、转角、圆角部位，尺寸不符合图样要求。

产生的原因可能是：①锻造温度低，金属流动性差；②设备吨位不够或锤击力不足；③制坯模设计不合理，坯料体积或截面尺寸不合格；④模膛中堆积氧化皮或焊合变形金属。

二、大型锻件热处理工艺
1．1 正火和淬火的加热
大型锻件特别是合金钢锻件，在加热方式上应采用阶梯升温方式加热。

有关资料表明l2 J大型锻件在350℃～500℃以及600℃～800℃时工件表面与心部存在最大温差，差值在300℃～400℃左右。

因此采用在450℃与650℃保温一段时间，然后再升温的加热方法是比较合适的。

大型锻件正火和淬火加热温度的选择，理论上与小型锻件是一致的，应取理论加热温度的上限，以保证偏析区也能达到相应的正火或淬火温度，使工件充分奥氏体化。

装炉温度≤400℃，并在450℃保持一定时间，以进一步减小锻件在蓝脆温度范围(250℃～350℃)内的温差。

在450℃保温之前由于锻件温度低，仍处于线弹性状态，如果表面与心部温差引起的热应力过大，可致锻件在加热过程中早期开裂。

因此，保温前加热速度一般控制在30℃／h-70℃／h；450℃保温后可适当加快升温速度但不能超过100℃／h～15012／h。

锻件经过650℃保温后，心部与表面还可能存在温差，但由于锻件处于塑性状态，尤其是当锻件加热到临界点温度以上时，相变超塑性伴随产生，因而导致开裂的可能性极小，此时可按设备功率升温。

均温时间凭经验目测决定，锻件表面温度均匀一致并和炉墙颜色相同时为止，工艺不做要求。

均温结束即开始保温，保温时间可根据公式(1)计算：
t=a·K·D (1)
式中t为加热时间(min)；a为加热系数(rain／ram)，碳素结构钢与低合金结构钢取0．40～0．50，中、高合金钢取0．50-0．60；K 是装炉系数；D是工件有效加热厚度。

1．2 回火加热
锻件在回火装炉的初始阶段，表面温度回升，心部温度进一步降低，以完成心部过冷奥氏体完全转变。

入炉温度应<400℃，并且在400℃左右保温一段时间。

为保证锻件表面与心部温差较小且无较大的应力，升温速度不应超过30℃／h～100℃／h。

回火工艺过程的温度较淬火的温度低(<650℃)，所以均温时间难以用目测确定，因此回火工艺规程中没有规定均温时间，而是适当延长保温时间。

回
火保温时间也可按公式(1)计算，其中碳素钢、低合金钢a为1．0～1．5，高、中合金钢为1．2～1．7；工件有效厚度每100ram 回火保温时间不能少于4h。

1.3 正火和淬火冷却工艺
大型锻件正火冷却通常采用空冷、不同部位采用强力风冷或先进行短时间喷雾冷却后再采用强力风冷的冷却方式。

针对大型锻件的材料及要求，淬火冷却分别采用油冷、水冷、水一油双介质等冷却方法。

①油冷：3号锭子油，该介质的技术参数是运动粘度(50℃)为：17X 10 m2／s～23 X 10一m2／s，闪点为170℃，凝点为一15℃，淬火温度范围为一15℃～170℃。

为了缓解运动粘度大的缺点，可以安装冷却循环装置和加热装置。

冷却时间按公式(2)计算：
r=a·D (2)
式中r为冷却时间(S)，D为工件有效厚度(mm)，a为系数(s／mm)，对45CrMo、3Cr13钢a一般为9～13。

②水冷：针对大型锻件水冷淬火后工件存在硬度不足的问题，采用15％的CaC12水溶液取代以前使用的自来水，并且安装冷却循环装置。

两种冷却介质的性能指标可知15％的CaC12水溶液与水相比，具有使用温度区间宽，最大冷速大，特性温度高，100"C～300~2的平均冷速小和适用范围广的优点。

冷却时间按公式(2)计算，其中a为1．5～2。

③水一油双介质冷却：对于40Cr、35CrMo、42CrMo等淬透性差和淬透性中等的低合金结构钢大型锻件，由于单纯的油冷淬火已不满足设计要求，而采用水冷工件开裂的倾向较大，在没有专用淬火液的条件下，采用水一油双介质淬火冷却工艺，冷却时间按公式(2)计算，其中水冷a为1～2，油冷a 为7～10。

在具体操作时应注意以下几点：水冷淬火之前要有较短时间的预冷，以减小热应力，使工件畸变和开裂倾向减小，而且还可以增加大型锻件的淬硬层，提高零件的综合力学性能；严格控制水油转换时的空冷时间，不宜超过20s。

1 .4 回火冷却工艺
一般在400℃以上的冷却速度应控制在50℃／h～高温回火(≥450℃)后必须采用水冷或油冷等冷却较5℃／h，对于40Cr、3Cr13等钢具有明显可逆回火脆性的材料，该种方法将使该材料的冲击韧性显著降低。

回火冷却时应考虑以下两点：①对无高温回火脆性材料，如45、35CrMo、42CrMo、45CrMo钢等，采用随炉冷却或空冷的缓慢冷却方式。

②对具有高温回火脆性的材料，如40Cr、3Cr13、Crl2钢等，在低温回火快的方式进行冷却，以避免出现回火脆性，为了进一步消除由于回火冷却带来的应力，然后补充进行一次400C左右的去除内应力退火。

热处理工艺对于去除大型锻件的缺陷有着越来越重要的作用，对提高锻件质量已经是不可缺少的工艺过程，进一步研究有效的热处理工艺变得至关重要。

参考文献：
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