PDF《钢的锻造温度范围》

收稿日期 :1997 -

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05 钢的锻造温度范围 张如华 (南昌大学机电学院 ,南昌 330029) 摘要 简述了确定锻造温度范围的意义、 方法 ,较详细地分析了始、 终锻温度的内涵及其影响 因素 ,指出了选用钢的锻造温度范围时应注意的几个问题 ,以促进节能挖潜

1 关键词 温度 ,锻造 ,钢 中图法分类号 TG

316117 锻造温度范围是指合理的始锻温度与合理的终锻温度之间的一段温度区间

1 确定钢的锻 造温度范围是常规热锻工艺设计的主要内容之一

1 现行的方法一般是查文献 ,但由于文献资 料五花八门 ,致使查得的范围可能不利于保证锻件质量 ,或不能充分利用尚存的潜力

1 为了促 进节能挖潜 ,本文试从应用的角度 ,提出了一些看法 ,以引起有关专家及同行的注意

1 1 合理确定锻造温度范围的意义 合理确定锻造温度范围就是针对具体锻件 ,结合生产工艺选定始、 终锻温度

1 其意义在 于:1) 保证锻件获得良好的内部组织和机械性能 ,也就是使钢在变形时具有良好的塑性 ,不产 生加工硬化及残余应力 ;

锻后获得细小、 均匀的晶粒组织 12) 减小变形力 ,减轻设备及模具受 力13) 缩短生产周期 ,提高生产效率 14) 节省能源 ,降低劳动强度

1 以上几点也正是确定锻造温度范围的原则

1 其中 1) 是技术上可能的问题 ,2) ~4) 是经济 上合理性的问题 ,两方面具有辩证的关系

1 2 确定钢的锻造温度范围的方法

211 理论系统研究方法 对于新研制的钢 ,手段齐备的研究机构确定钢的锻造温度范围的基本方法是 ,以状态图为 基础 ,从钢的塑性、 锻后质量、 变形抗力

3 方面分别进行热模拟试验 (如热扭转试验、 自由镦粗 试验、 冲击试验等) 和动、 静态再结晶研究(如加工再结晶立体图试验、 加热对钢晶粒影响试验 等) ,得出对应的温度塑性图、 再结晶立体图和抗力图等 ,然后综合地加以分析确定

1 一般还应 通过实践应用来验证、 修订

1 因为一般合金结构钢和合金工具钢中合金元素含量较少 ,且分别固熔于铁素体、 奥氏体或 渗碳体中 ,所以合金元素仅对铁碳状态图的相变点和相变线的位置有影响 ,状态图形式并无明 显的改变

1 因此 ,铁碳状态图可作为确定这些钢的锻造温度范围的基础依据

1 高度合金化和冷却时无相变的合金仅靠状态图是不够的 ,还必须系统地作出塑性图、 再结 第20 卷第

2 期1998 年6月南昌大学学报(工科版) Journal of Nanchang University( Engineering &

Technology) Vol.

20 No.

2 Jun.

1998 ? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 晶图和变形抗力图 ,才能确定锻造温度范围

1 212 实践应用 实践工作中 ,钢的锻造温度范围大部分在文献上有表可查 ,少数钢查不到 ,可以采用类比 法经试锻后分析确定

1 3 钢的始锻温度

311 选用最高加热温度 文献给出的始锻温度是指允许的最高加热温度 ,由于坯料出炉到开始锻造过程中有热量 损失 ,真正开始锻造的温度稍低些

1 相反 ,由于加热必须依靠温度头 ,因此炉温比允许的加热 温度高(一般结构钢高 50~100 ℃ )

1 加热温度过高可能进入过热温度区 ,特别是多数含镍、 铬的钢容易出现热处理无法改正的 稳定过热 ,需要大的变形量才能消除其影响 ,这在多数情况下难以做到

1 为了避免过热 ,钢的 最高加热温度必须低于过热温度(比过烧温度低得更多) ,文献〔 1〕 指出钢的始锻温度为 T始(° K) = (0. 85~0. 90) T熔(° K) 图1钢的锻造温度范围 式中 : T熔―钢的熔点;

° K ―℃+ 273. 影响始锻温度的因素大致有 : 1) 钢的化学成分 由于钢的熔点随含碳量升高而降 低 ,因此碳钢的始锻温度也随含碳量的 增加而降低 (见图 1) ,其中 ⑤~ ⑥线为 碳钢的始锻温度 ,它比固相线低 200~

250 ℃,在含碳量 ≤115 %的范围内 ,可 近似归纳为以下线性表达式 : T始=1300 - 1.

8 C( ℃ ) 式中 : C ― 碳钢含碳量的万分数

1 然而 ,对于纯铁的锻造 ,应避开

850 ~1150 ℃ 这个红脆区

1 合金钢的始锻温度通常随含碳量的 增加而降低得更多 ,合金元素愈高 ,始锻 温度愈低

1 2) 钢的组织状态 钢锭晶粒外面的晶壳 (凝固过程中 杂质及合金元素形成的化合物偏析) 有阻止奥氏体晶粒长大的作用 ,使得铸态组织产生过热的 倾向性较小 ,因此 ,其始锻温度可以比同钢号坯(轧) 材高 20~50 ℃(见图

1 ③ ~ ④ 线)

1 当钢锭 变形工序多 ,需要时间长 ,恰好可以利用这一温度差

1 电炉钢较平炉钢具有更低的过热温度 ,因而 ,始锻温度不能偏高

1 较纯净的电渣重熔钢 , 过热敏感性相当高〔 2〕

1 ・

8 6 ・ 南昌大学学报(工科版)

1998 年?1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 3) 加热速度 快速加热或感应加热时 ,由于奥氏体晶粒来不及粗化 ,钢在较高温度下才过热 (见图

1 ① ~ ② 线 ,它比固相线低 100~150 ℃ ) ,因此始锻温度可高些(介于 ① ~ ② 与③~④之间)

1 4) 加热炉内气氛〔 2〕 钢在氧化性炉气(如焦炭炉) 中加热时 ,温度愈高 ,氧化愈剧烈

1 钢氧化时的放热反应为 3Fe + 2O2 Fe3O4 + 1133.

8 *

103 J 这样 ,可能使钢表面温度比炉温还要高

1 而在还原性气氛(如干燥的煤气炉) 中 ,钢表面发生吸 热反应 : 3Fe + 4CO2 Fe3O4 + 4CO - 54.

4 *

103 J 这样 ,钢表面温度就比炉温低

1 312 选用非最高加热温度 根据工艺需要 ,钢的始锻温度有时选用非最高值 ,这种情况下应考虑的因素有 : 1) 变形速度 高速锤上锻造时 ,高速变形产生很大的热效应 ,会使坯料温度升高 ,以致引起过烧 ;

加上高 速成型时间短 ,为了保证终锻温度不致过高 ,其始锻温度应比文献列出的数值低

100 ℃ 左右

1 在其它设备上锻造也可能有热效应产生 ,也应注意这一倾向

1 图2根据剩余锻比选用始锻温度 a1 圆料拔长 ;

b1 变形量较大的拔长及端部镦粗、 扩孔 ;

c1 芯棒拔长 2) 变形工艺 对于大锻件 ,最后一火需要保证到达终 锻温度时刚好完成全部锻造工作 ,因此 ,其始 锻温度应根据剩余锻比确定 (见图 2)〔 3〕 , 宁 低勿高

1 对于工艺简单、 变形时间短的中小 锻件 ,也不选最高值〔 4〕

1 4 钢的终锻温度 钢的终锻温度狭义上指常规的大变形热 锻时应停止锻打的温度

1 根据停锻后对钢的 组织影响不同 ,本人认为可以分为两类 :A 类 指停锻的最低温度 ,应用时允许少量上偏差 , 否则 ,钢的变形抗力增大 ,塑性变差 ,易出现 裂纹 ;

B 类指随着温降 ,变形必须持续到的温度 ,主要用于冷却不相变的钢 ,应用时只允许少量 下偏差 ,否则 ,将得到较粗大的晶粒组织 ,降低锻件性能

1 文献所列的就是狭义终锻温度 ,但未 特别分类(B 类有时标 ≤ 符号) ,应用时应注意

1 广义上的终锻温度除了狭义含义之外 ,还包 括自由锻件精整、 模锻件热切边、 热校正时允许的最低温度等 ,后者较前者低 50~80 ℃

1 对于相变钢及部分不相变的钢(如奥氏体钢) ,终锻温度过低 ,不仅可能造成变形力剧增 , 设备负荷加大 ,模具受力恶化 ,还可能使锻件局部处于临界变形状态 ,造成锻后晶粒粗大 ,或由 于加工硬化引起残余应力 ,诱发裂纹

1 所以 ,为保证锻件内部再结晶 ,钢的终锻温度要稍高于 再结晶温度

1 文献〔 1〕 指出钢的终锻温度为 ・

9 6 ・ 第2期张如华 :钢的锻造温度范围 ? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net T终(° K) = (0. 65~0. 75) T熔(° K) 影响终锻温度的因素大致有 : 1) 钢的化学成分 ①碳钢 ) 亚共析钢分为二段 :中碳钢应在 A3 线以上 15~40 ℃(图1⑧~⑨线) 终锻 ,若在 A3 线 以下两相区锻造 ,停锻后形成带状组织

1 带状组织含碳量低、 强度低 ,易沿夹杂物和铁素体的 交界面产生裂纹

1 反过来 ,中碳钢的终锻温度也不应比 A3 线高太多 ,否则 ,奥氏体晶粒将再次 长大 ,导致冷却到室温后得到粗晶组织

1 如果终锻后的冷却速度快 ,形成魏氏组织 (过热组织 特征) ,机械性能变差 ,特别是冲击韧性降低

1 钢含碳量低于

0130 %~0125 %时 ,可以在低于 A3 线区(图1⑦~⑧线以上) 锻造

1 因为低 碳钢中的铁素体与奥氏体性能差异不大 ,特别是大锻件 (热容量大 ,冷却速度慢) ,在低于 A3 线温度终锻可得到比高于 A3 线(图1λ?~ ⑧ 线) 时较细的晶粒

1 其中纯铁可在

650 ℃ 终锻

1 ) 过共析钢应在 A1 以上 40~100 ℃ 终锻 ,而不应在 Acm以上终锻 ,否则 ,在随后的冷却 过程中生成对性能不利的网状碳化物 ,而在奥氏体和渗碳体的两相区锻造 ,可使析出的渗碳体 呈对性能有利的弥散状

1 图3钢的高温强度 a1 碳素钢(45) ;

b1 含镍、 铬、 钨的合金钢 高碳钢只有在强烈的三向压应力作用下 (模锻、 型砧 锻) ,其终锻温度才可接近 A1 线(图1⑨~λω线) ,否则易出 现裂纹

1 所以高碳钢的终锻温度一般应随含碳量的增加而 逐渐提高(图1⑨~⑩线)

1 ②合金钢 合金成分愈高 ,终锻温度也愈高

1 高合金钢种类繁多 , 情况比较复杂 ,其终锻温度一般较碳钢高得多(约100 ℃ ) , 主要原因是随着温度的降低 ,变形抗力剧增 ,而塑性变坏

1 由图 3〔 5〕 所示可见 ,45 钢在

800 ℃ 终锻强度约为

15 *

918 MPa ,同样强度的含镍、 铬、 钨的合金钢应在约

870 ℃ 终锻

1 不相变的奥氏体钢、 铁素体钢等不能热处理细化晶粒 , 终锻温度应偏低 ,一般不允许上偏差

1 2) 钢的组织状态 铸锭在还未完全转变为锻态组织之前 ,塑性较低 ,有些 钢号的锭料终锻温度应比坯(轧) 材高 30~50 ℃

1 3) 变形应力状态 如前所述 ,变形时的应力状态能影响钢的塑性 ,所以也 能影响终锻温度

1 4) 变形工艺 多火次锻造的中间工序一般都取较低的终锻温度 ,然后回炉加热

1 若估计最后一火变形 量不大 ,亦可提前回炉加热

1 此外 ,锻后立即进行余热热处理的锻件 ,终锻温度应满足余热热处理要求

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5 几个问题 在查文献选用钢的锻造温度范围时 ,应注意以下问题 : 1) 部分钢号的温度值出入很大

1 不同的文献数据可能是在不同的实验条件下得到的 ,不 可避免地存在一定的出入

1 实践应用中 ,由于钢本身的成份存在偏差、 生产环境中控制不准确 以及文献值存在保险系数等原因 ,温度偏差

20 ℃ 以下无伤大局 ,但若偏差

30 ℃ 以上 ,则可能 给钢 ,尤其是锻造温度范围较窄的钢 ,带来不利的影响

1 附表列出了一些钢 (坯、 轧材) 的锻造 温度范围的明显差异

1 虽然现场工艺人员可采取多查几种资料印证和试锻后再大批量生产的 补救措施 ,但毕竟存在侥幸性 ,不可靠

1 建议权威部门消除这些差异 ,提高文献的指导意义

1 2) 钢号不齐 ,与材料标准不统一

1 现有文献或多或少存在资料不齐的现象

1 作为新编的 指导现场技术人员实践的工具手册〔 6〕 ,材料部分已列出了新的标准资料 ,锻........