PDF《加热和锻后热处理》

加热和锻后热处理 一 加热工艺分析 加热工艺通常包括装炉温度、升温速度、均热控制、保温时间.

比较主要的是最高加热温度控 制、均温及允许的温度场不均匀控制和 温度头 (即最高炉温和锻件表面的温差,也叫 过热度 )控制. 1. 温度应力 坯料在加热时,其表面和中心部位之间存在温度差引起不均匀膨胀,使表面受到压应力,中心 部位受到拉应力.这种由于温度不均匀而产生的内应力叫温度应力.温度应力的大小与钢的性质和 断面温度有关.一般只有钢料出现温度梯度并处在弹性状态时,才会产生较大的温度应力并引起裂 纹.钢在温度低于500~550℃时处在弹性状态,因此低于这个温度范围时,须考虑温度应力的影响. 当温度超过500~550℃时,钢的塑性比较好,变形抗力较低,通过局部塑性变形可以使温度应力消 除或减少. 2.装炉温度 通常装炉温度高低对小截面、低碳低合金坯料影响不大,而对中高碳或多组元合金钢(尤其是 未压过的钢锭等铸态组织的零件)则影响很大,因为钢锭等铸态组织及多组元合金钢导热性差,过 高的装炉温度将给加热件带来较大的附加应力,严重的可使高合金钢中心开裂.另外,因生产条件 限制,大多数热送钢锭的生产、送达有一个较长的时间段,在这段时间的待料中,炉温实际上给钢 锭一个由表及里的热传导过程,减少了内外层温度差,即减小了热应力差异,并给后续升温提供了 一个快速升温的基本条件. 装炉温度可根据温度应力和钢料最大允许温差(?t)来确定,?t 可根据下式计算. ?t=1.4 [σ] / αE 式中 [σ]为相应温度下的抗拉极限(MPa) ;

α 为相应温度下的线膨胀系数(℃-1 ) E 为弹性模量(MPa) 由上式得出的最大允许温差,再按不同热阻条件下最大允许温差与允许装炉温度的理论计算曲 线(见图 1) ,确定出允许装炉温度.这个结果一般偏小,还要在实际工作中加以修正.钢锭加热的 装炉温度及在此温度下保温的时间见图 2. 图1圆坯允许装炉温度和最大允许温差关系 (R:加热件半径(m)λ:导热系数(m・h・ /J ℃ ) )

3 加热速度 加热时经常用到 尽速 、 尽功率 升温的要求,这是指按炉子所能提供的最大升温能力来升温. 另外也有限制升温速度的标记,如 ≤70 /h ℃ ,指的是保证加热件的热应力不超过它所能承受的极限 值的安全升温速度.它主要取决于加热过程中产生的热应力,而热应力的大小又与金属的热扩散率、 热容量、线膨胀系数、高温力学性能和加热件形状尺寸有关.圆柱坯料允许的加热速度[υ]通常用下 式计算. [υ]=5.6k[σ] / α E R2 式中 k 为热扩散率(m2 /h),与导热系数 λ、比热容 c、密度 ρ 有关,即k=λ/cρ [σ]为相应温度下的抗拉强度(MPa) α 为相应温度下的线膨胀系数(℃-1 ) E 为弹性模量(MPa) R 为加热件半径(m) 由上式看出,金属的热扩散率(即导热系数)和强度极限越大,允许的加热速度越大,而金属 的直径越大、弹性模量和线膨胀系数越大,允许的加热速度越小.通常中低碳碳钢的热扩散率比中 高合金钢大,虽然高温强度极限比合金钢低,但它产生的热应力相对较小,因此中低碳碳钢允许的 加热速度比中高合金钢大. 由于钢锭中组织差、有各种缺陷,钢锭的允许升温速度要比已经经过轧制或粗锻的坯料小. 通常对已达到 700℃的大多数Ⅰ、Ⅱ类钢的高温阶段升温实施尽速升温,这对节约能源、细化晶 粒有利. 图2 钢锭加热的装炉温度及保温时间 1―Ⅰ组冷锭的装炉温度 2―Ⅱ组冷锭的装炉温度 3―Ⅲ组冷锭的装炉温度 4―热锭的装炉温度 4.均热保温 均热指的是当测温偶反映到仪表指示温度达到工艺规定的温度后,炉子内部加热区的温度场均匀 化和钢锭表面各处均匀化(即温色一致) .保温指的是这种表面均匀化向钢锭中心导热后达到内外温 度一致的过程. 均热时间和装炉量、装炉方式、控温作业方法和设备状态有关,它通常结合实测值和经验值确定. 大锻件加热炉容积都很大,当钢锭或坯料装进这些炉子里后,加热件本体表面温度和炉侧或炉顶热 电偶显示的炉内气温差距很大――加热件往往要很长时间才能达到通体表温和炉温一致(通常目测 炉墙和加热件表面温色作判断) ,所以在大锻件加热时均温控制比一般小锻件要严得多.在许多重机 厂加热工艺中锻造加热的均温时间常常被计入保温时间中;

而在锻后热处理升温时常常单列开来, 要求司炉人员按实际情况目测加多点测温(包括接触式铠装偶)来控制. 保温时间则大都与材料本身的导热等物化特性有关.它可直接在有关规范、标准中选取. 对重要的、 组元复杂的合金钢大钢锭实施 A1 线相变前的中间保温是多数大钢锭锻造加热的常用 工艺.它可以减小温差、提高后续升温速度(而尽快通过两相区对细化奥氏体晶粒有利) 、减少锻造 温度下的保温时间等,但也会延长周期、少量加大能耗. 在不考虑合金成分或碳化物等化合物扩散、不进行镦粗、强压等大压缩量锻造的前提下,保温 应取 最小保温时间 ,避免出现严重的粗晶、脱碳等质量缺陷,也加快周期、节约能源. 如遇到设备故障无法及时修复而停锻检修时应立即降温到合适的温度:由值班长或有关人员商 议后现场决定工艺对策,或按修复时间,先降温至 900~1050℃(1050℃以上将使晶粒迅速粗大) , 适时尽速升温、酌情确定保温时间. 5.关于高温扩散 锻前高温扩散是大型铸锻件复杂生产工艺链中的一个环节,它是在钢锭脱模之后、大变形热锻 之前通过较高温度下的长时间保温,依靠扩散作用来改善钢锭中的微观偏析等缺陷,以提高钢锭热 加工性能,并最终提高锻件质量的一种工艺. 国内外一些学者曾对高温扩散的作用做过相关的研究,学术上存在着诸多争论:有人主张不进 行锻前高温扩散,因金属原子扩散的距离有限,根据研究单纯靠扩散可以修复裂纹尺寸非常小,恒 温无外压保温条件下可修复裂纹尺寸一般小于1 ?m,扩散作用不大,且易使锻件晶粒过大,无益于锻 件的最终性能;

有人则认为,若不进行锻前高温扩散,那么锻件无论采用多大的锻比,仍然不能完 全消除微观偏析,并将最终影响锻件的质量.另外,赞同采用锻前高温扩散工艺的主张中,关于保 温时间也有不同的意见,目前所采用此工艺的企业通常是在超过1200℃(例如电站转子 26Cr2Ni4MoV的扩散温度在1250℃,汽轮机转子30Cr1Mo1V的扩散温度则在1260~1270℃)高温 下保温40小时甚至更多时间,而有些资料认为,保温时间不宜超过15小时. 从节约能源、提高生产效率等方面考虑,长时间的高温加热,将消耗大量能源,使生产成本提 高, 钢锭利用率和生产效率降低E73. 因此, 对锻前高温扩散工艺慎重分析认真对待有着重要的意义. 枝晶偏析是任何一种熔铸合金材料都不可避免的成分不均匀现象,是两种或两种以上成分的金 属材料,在凝固的选分结晶过程中所形成的溶质浓度分布的不均匀现象.钢锭冷却过程中,枝晶组 织凝固的先后顺序为一次主轴(一般间距8~20mm)、二次枝晶臂(一般间距100?m以上)、枝晶 间.一次主轴与二次枝晶臂中的成分组成含量差别不大,溶剂原子Fe的浓度较高,而枝晶间却含有 大量的溶质原子――合金元素Cr,Mo,浓度远高于一次主轴与二次枝晶臂.在对大量Cr-Mo钢锻件 进行电子扫描来测定微区成分时发现枝晶间聚集了大量的合金元素,经扫描分析Cr,Mo元素含量非 常高,远大于(约3~10倍于)枝晶臂上的元素含量,而其它元素偏析不明显. 锻前高温加热时,在浓度差驱动下,Cr,Mo元素由浓度高的枝晶间向浓度较低的枝晶臂、主轴 中迁移,浓度差减小,成分分布趋于均匀化. 根据扩散的无规则行走理论,晶体中原子迁移的距离r和运动时间t及扩散系数D的关系为 式中 D=D0exp(一Q/RT) Q―― 扩散激活能 D0――扩散常数 由方程可知,若T越大,则原子迁移距离越远,即随保温时间的增加,扩散距离更大,高浓度区 域的合金元素更充分地向低浓度区域扩散.以浓度差作为驱动力的扩散结果是,浓度差随着保温时 间逐渐减小,成分分布均匀程度提高,偏析度逐渐减小.因此,随着保温时间的增加,Cr,Mo的偏 析度都在减小. 高温加热进行扩散时,合金元素的迁移降低了其偏聚的程度,使其分布更为均匀,同时影响了 粒状贝氏体组织的分布、组成以及合金元素固溶强化效应,并最终提高了钢的力学性能. 首先,成分分布不均匀导致贝氏体组织的不均匀性,因贝氏体铁素体内部Cr,Mo等元素的偏析, 降低了位错运动的点阵阻力.而高温扩散后,合金元素分布的均匀程度提高,对基体起到了强化作 用,随保温时间增长强化作用将增大. 其次,凝固过程中,晶界、枝晶臂间或多或少存在合金元素含量较高的过剩相,而合金元素的 偏聚会减弱其在基体中的固溶强化作用.高温扩散使得Cr,Mo的偏聚程度降低,晶界附近的合金元 素溶入奥氏体中,奥氏体中的Cr,Mo等元素含量增加,冷却后其固溶强化的作用有所增强. 在锻造比作用下,热扩散效果的显现有所不同.有些试验数据说明了这个不同. 小锻比试样的纵向冲击韧性与纵向屈服强度随保温时间的变化规律相同,强度、韧性同时提高. 合金元素Cr,Mo的偏析比在热扩散作用下逐渐减小,因此基体中的元素含量增加.虽然Cr, Mo作 为置换型固溶元素,其基体浓度增加对韧性影响不明显,但Cr,Mo的增加使淬透性提高,同样可提 高材料的冲击韧性.另外,粒状贝氏体中的M-A小岛分布也随保温时间逐渐均匀,也将提高纵向冲击 韧性. 大锻比下保温时间对纵向力学性能的影响一般.说明大锻比锻造后,锻造产生的影响已经湮没 了热扩散作用对微观偏析的影响,高温扩散起不到主导性的作用,反过来说,锻造起的作用(例如 打碎枝晶、改善微区偏析、各向同性等方面作用)远大于高温扩散.同时,高温扩散的 性价比 在大锻比面前相形见绌.因此,可以对从日本制钢所引进的高温扩散技术做一定的修正与改进,比 较倾向性的意见是取消中小型(30万千瓦以下)转子的两次镦粗强压时的高温扩散工步或减少长时 间保温的次数及时间,按常规要求保温后的多火大压缩量强压完全能够满足转子要求. 二 锻件的加热规范 中华人民共和国机械行业标准 JB/T6052-92 钢质自由锻件加热通用技术条件 1.主题内容与适用范围 本标准规定了钢质自由锻件的通用加热技术要求. 本标准适用于碳素钢、合金结构钢的冷、热钢锭(坯)的锻造前加热. 本标准不适用于本标准规定以外的新钢种锻造前加热. 2.常用钢号的加热温度范围 常用钢号按其碳含量及合金元素含量分为三组,其加热温度范围见表1. 3. 装炉的技术要求 3.1 钢锭(坯)装炉前,应校对其冶炼炉号、钢号、钢锭(坯)重量、尺寸,并检查其表面质 量,清除表面缺陷. 3.2记录装炉位置,做好实际操作记录.钢锭(坯)装入炉内的位置应根据炉型、炉底尺寸、装 炉方式及........