第二章锻造用坯料及加热(新版)

不稳定过热 单纯原高温奥氏体晶粒粗大形成的过热。 用一般热处理方法可以消除。 如一般过热的结构钢， 正火、淬火。 稳定过热 不仅原高温奥氏体晶粒粗大，而且沿奥氏体晶界 （或孪晶界）大量析出第二相质点或薄膜。
包括杂质元素组成的化合物，如硫化物、碳化 物、碳氮化物等。
2．危害 晶粒粗大，机械性能显著降低，锻造时容易开裂。 3. 防止过热的措施 （1）加热温度， 保温时间。 （2）变形量。 （3）热工仪表
4．型材的常见缺陷
（1）划痕 （2）折叠 （3）发裂 （4）结疤 （5）碳化物偏析 （6）白点 （7）非金属夹杂流线 （8）铝合金的氧化膜 （9）粗晶环
二、下料方法
锻造所用原材料：型材 和 钢锭。 钢锭的下料方法：自由锻工序。 型材的下料方法：剪切法、 锯切法、 折断法 砂轮片切割法、 气割法等。
（二）脱碳 1．实质 扩散
2．危害
锻件表层变软，强度、 耐磨性、
疲劳性能降低。
脱碳层深度 < 机械加工余量， 对锻件质量无影响。 脱碳层深度 > 机械加工余量， 对锻件质量有影响。
3．影响因素
（1）化学成分
碳的质量分数， Al、Co、W、Mo、Si等元素，
Cr、Mn等元素。 （2）炉气成分 氧化介质（H2O、CO2、O2）， 还原性气体H2。
图2-16 温度应力（轴向）变化示意图 a）软钢锻件 1—表面应力 b）硬钢锻件 2—心部应力
马氏体：
比容: 0.127cm3/g，
奥氏体：
比容: 0.12~0.125 cm3/g。
图2-17 组织应力（切向） 的变化和分布示意图
（2）网状碳化物 形成条件：
过共析钢和轴承钢
终锻温度较高， Arcm→Ar1区间缓冷。 奥氏体不锈钢（如1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等）
对于在空冷中容易产生马氏体相变的钢， 如高速钢W18Cr4V， 不锈钢4Cr13、Cr18， 高合金工具钢3Cr2W8V、Cr12等， 组织应力，
裂纹， 缓冷。
对于高温合金， 利用锻件余热缓慢冷却， 堆放。 镍基高温合金， 在炉中冷却， 加热炉温度： T再+50~100℃， 保温时间7min。
对于铝合金和镁合金， 导热性好， 空冷， 水冷。
关键： 确定合适的冷却速度。 材料性质
形状尺寸 锻造变形情况 选择冷却方法
冷却规范的内容： 合金化程度较低、 断面尺寸较小、 形状比较简单的锻件， 在空气中冷却。 反之则需坑冷或炉冷。
对于含碳量较高的钢， 空冷、 鼓风 或喷雾，
避免网状碳化物析出。 700℃， 坑冷或炉冷。 如碳素工具钢、 合金工具钢 及轴承钢等。 对于没有相变的钢， 空冷。 如奥氏体不锈钢： 800~550℃，快速冷却， 避免网状碳化物析出。 铁素体类钢在475℃回火脆性， 也要求快速冷却。
优点：设备简单，便于野外作业。
缺点：切割面不平整，精度差，生产效率低， 断口金属损耗大， 劳动条件差， 对操作技术要求高。
第二节 锻前加热与锻造温度范围
一、金属的锻前加热
（一）加热目的 塑性， 变形抗力，流动成形， 锻后组织。 （二）加热方法 火焰加热， 电加热。
1．火焰加热 燃料： 煤、焦炭、油、煤气和天然气等。 传热方式： 对流、辐射、 热传导。 优点：燃料来源方便， 加热炉修造容易， 加热费用较低， 加热的适应性强等。 缺点： 劳动条件差， 环境污染严重， 加热速度慢， 加热质量差， 热效率低等。
（四）过烧 1．实质 晶粒粗大， 晶间物质被熔化或被氧化。 2．防止措施 加热规范， 出炉温度， 高温时的停留时间。
（五）裂纹 1．实质 温度应力 组织应力 残余应力 叠加值超过强度极限， 裂纹。
2．防止方法 装炉温度、 加热速度。
三、锻造温度范围的确定
锻造温度范围
始锻温度到终锻温度的一段温度区间。
2.电加热
用电能转换为热能来加热坯料的方法。 传热方式： 电阻加热、 感应电加热。
（1）电阻加热
电阻发热元件： 电阻炉加热、 接触电加热、 盐浴炉加热等。
图2-8 电阻炉原理图
图2-9 接触电加热原理图
图2-10 盐浴炉原理图
（2）感应电加热
图2-11 感应电加热原理图
优点： 加热速度快， 效率高， 质量好。 缺点： 设备费用高， 线圈专用。
1.20～1.40
（3）钢锭（或大型钢坯）的加热时间 冷钢锭，室式炉， 加热到1200℃， 加热时间：
K D D
D—钢料直径或厚度/m； K—装炉方式系数（参考K1值） α—与钢成分有关的系数。
（h）
碳钢与低合金钢
α=10，
高碳钢与高合金钢α=20。
第四节 锻后冷却及热处理
一、锻件的冷却 1．锻件冷却时常见缺陷及其产生原因 （1）裂纹 温度应力 组织应力 残余应力
（1）空冷：在无风的空气中， 放在干燥的地面上冷却。
（2）坑冷： 放入充填有炉灰、砂子、石灰等 保温材料的坑内冷却。 （3）炉冷 锻后， 立即放入500~700℃的加热炉中， 随炉冷却至较低温度后再出炉冷却。 碳素结构钢和低合金结构钢的中小型锻件用空冷。 高合金钢一般采用坑冷或炉冷。
3. 锻件的冷却规范
——单个坯料的加热时间，查图确定。
图2-15 碳素钢坯在室式炉中单个放 置时的加热时间
直径为200～350mm的钢坯， 单件加热时间，
多件及短料，乘以系数k1和k2。 钢 种 加 热 时 间（h/100mm） 0.6～0.77 1
低碳钢、中碳钢、低合 金钢 高碳钢、合金结构钢
碳素工具钢、合金工具 钢、高合金钢、轴承钢
2. 锯切法
下料锯床： 圆盘锯、带锯、弓形锯等。 圆盘锯： 0.5~1.0 m/s； 3~8 mm； 750 mm。 带锯： 立式、卧式和可倾式。 生产率=1.5~2倍圆锯床， 2~2.2mm， 350mm。 弓形锯：往复锯床、 2~5mm， 100mm。
锯切法的优点： 下料长度准确，锯割端面平整。 缺点： 生产效率低， 锯口损耗大。 应用： 普通模锻和精密模锻， 钢、 有色金属 和高温合金， 常温锯切。
800～550℃温度区 产生过热， 晶界上原有块状的第二相物质大量固溶于基体， 奥氏体晶粒急剧长大。 锻造未能细化晶粒， 冷却时第二相物质以颗粒状或薄片状析出。
断口为石状。
防止措施: 控制加热温度 和塑性变形程度， 锻后冷却过程中应采用较快或较慢的冷却速度。
2. 锻件的冷却方法
1. 剪切法
特点： 效率高，操作简单，断口无金属损耗，
模具费用低等。 下料设备： 专用剪床、通用曲柄压力机、液压机、 锻锤。
图2-2 剪切示意图
缺点：
坯料局部被压扁， 端面不平整， 剪断面常有毛 刺和裂缝。
图2-3 剪切下料过程
图2-4 剪床下料
图2-5 带支承的剪切下料
图2-6 轴向加压剪切
1）一段加热方式: 导温性好与断面尺寸小的坯料。
2）二段加热方式: 一段加热方式实际上成为第二种加热方式，
人工控制， 将炉温降至某一预定值， 减小坯料断面上的温度差。
3）三段加热方式 断面尺寸较大，导温性较差的坯料。 低温预热， 最大可能的加热速度升温， 最高加热温度。
4）四段加热方式
材料性质，升温过程分两段进行。
（3）加热温度
（4）加热时间 加热温度愈高，加热时间愈长，脱碳愈严重。 低于1000℃，氧化皮阻碍，脱碳过程比氧化慢。 高于1000 ℃，氧化皮脱落，脱碳比氧化更激烈。
（三）过热 1．实质
晶粒过分长大， 如钢中奥氏体晶粒粗大。
过热温度： 晶粒开始急剧长大的温度。
过热温度与化学成分有关。 如：钢中的C，Mn，S，P等元素能增加钢 的过热倾向。 Ti，W，V，Nb等元素能减小钢的过热倾向。
普通碳素钢 优质碳素钢 碳素工具钢 合金结构钢 合金工具钢 高速工具钢 耐热钢 弹簧钢 轴承钢
第三节 锻造加热规范
加热规范： 加热炉温度和钢料温度随时间变化的规定。 温度—时间的变化曲线。 炉温—时间的变化曲线。
一段~五段加热规范。
图2-14 锻造加热曲线类型
一、制订加热规范的原则
氧化少、脱碳少、 无裂纹、 无过热和过烧， 加热均匀。
第二章 锻造用坯料及加热
第一节 锻造用坯料及下料
一、锻造用钢锭及型材
1．钢锭的冶炼 2．钢锭的结构 3．钢锭的内部缺陷
钢锭中的常见缺陷有： （1）偏析
（2）夹杂 （3）气体 （4）气泡 （5）缩孔 （6）疏松 （7）溅疤 钢锭的冶金缺陷与冶炼、浇注过程、冷凝结 晶条件、钢锭模具设计、耐火材料质量等有关。
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3.加热时间 坯料装炉，开始加热到出炉所需要的时间。
加热各阶段升温和保温时间的总和。
（1）有色金属的加热时间 电阻炉中加热 铝合金、镁合金 1.5～2 铜合金 （min/mm）
0.4～0.7 （min/mm）
钛合金
0.5～1
（min/mm）
（2）钢材或中小钢坯的加热时间 连续炉或半连续炉，加热时间(h)可按下式计算：
3．砂轮片切割法 应用：切割小截面棒料、 管料、 异形截面材料。 优点：设备简单，下料长度准确， 端面平整。 缺点： 砂轮片耗量大， 易崩碎， 噪声大。
4．折断法
图2-7 折断下料示意图
5．气割法
利用气割器或普通割具把坯料局部加热至熔化 温度，逐步使之熔断。 应用： 大截面毛坯。 厚板材料曲线切割。 含碳量＜0.7%碳素钢，直接气割； 含碳量1.0~1.2%的碳素钢或低合金钢， 预热700~800℃后气割， 高合金钢和有色金属不宜用气割法下料。
1280 1200 1100 1150～1200 1050～1150 1100～1150 1100～1150 1100～1150 1080 700 800 770 800～850 800～850 900 850 800～850 800 580 400 330 350 250～300 200～250 250～300 300 280