第二章 锻造加热规范(WPS)课件.ppt

第二章 热锻加热规范 第一节 钢料锻前加热,一、金属加热目的 提高金属塑性,降低变形抗力，减少设备吨位; 获得良好的锻后组织，提高锻件质量。,根据热源不同,在锻压生产中金属的加热方法可分为两大类:(火焰加热与电加热） 火焰加热 利用燃料(燃煤、燃油和燃气等)燃烧产生热量 通过对流、辐射 把热能传给坯料表面 由表面向中心进行热传导 使整个坯料加热。,二、加热方法,火焰加热优点 燃料来源方便; 加热费用较低(一次能源); 对坯料的适应性强。 广泛应用于各种大、中、小型坯料的加热。,火焰加热缺点: 工作条件差; 加热速度较慢; 加热质量较难控制; 热效率低(如许多热量都被烟气带入大气中)。,火焰加热分类 燃油加热,燃煤加热,燃气加热,电加热 利用电能转换为热能对金属进行加热的方法。 电加热优点 升温快; 炉温容易控制; 氧化脱碳少,加热质量好; 生产条件好,便于实现机械化和自动化。,电加热缺点 对毛坯尺寸形状变化的适应性不够强; 设备结构复杂,投资费用较大。,电加热分类 电阻加热 根据不同的电阻发热元件,可分为: 电阻炉加热; 接触电加热; 盐浴炉加热。,电阻炉加热 利用电流通过炉内的电热体产生热量,以辐射与对流传热方式对金属坯料进行加热。,锻造生产中常采用的电阻炉: 中温(950); 高温(1200 )电阻炉。,电阻炉加热优点： 对坯料加热的适应范围较大； 便于实现加热机械化、自动化； 可采用保护气体(如:氩、氦、氮等惰性气体)进行少无氧化加热。 电阻炉加热缺点： 热效率比其它电加热法低。,接触电加热 a)原理 低压大电流直接通入金属坯料,依靠金属本身存在的电阻, 产生热量,使金属加热。,b)优点加热速度快、金属烧损少；加热温度范围不受限制；热效率高、耗电少、成本低；设备简单、操作方便。 适用于长坯料的整体或局部加热。,C)对坯料的要求 坯料表面粗糙度和形状尺寸要求严格、 端部要求平整。,盐浴炉加热 a)原理 利用电流通入炉内电极产生热量，把介质（浴盐）熔融,通过高温介质的对流与传导,将埋入介质中的金属坯料加热。 当浴盐BaCL298%时,其最高使用温度可达1350 。,b)优点 加热速度快; 加热均匀,可实现金属坯料的整体或局部的无氧化加热。 C)缺点 热效率较低; 辅助材料消耗大; 生产条件差。,感应电加热 工作原理 感应器通入交变电流 产生交变磁场 金属坯料内部产生强大的交变涡流 在坯料内部转变为热能 , 对坯料进行加热。,感应电加热分类 按所用电流频率不同,感应电加热可分为: a)高频电加热(f=105106Hz) 适于加热坯料直径小于20mm;,b)中频电加热(f=50010000Hz) 适于加热坯料直径为20150mm; c)低(工)频电加热(f=50Hz) 适于大直径坯料(150mm)加热。,感应电加热优点 加热速度快,加热质量好; 温控准确,金属烧损较少; 操作简单,工作稳定; 便于实现机械化和自动化,生产条件好。,感应电加热缺点 设备投资费用高; 感应器对坯料尺寸适应范围较窄; 电能消耗较大。,钢料在加热过程中可能产生的缺陷: 氧化、脱碳、过热、过烧及在坯料内部产生裂纹等。 正确的加热过程应该尽量减少和防止缺陷的产生。,第二节 钢料加热缺陷 及防止措施,一、氧化 当钢加热到高温时,由于表层中的铁和炉气中的氧化性气体(如O2 、CO2 、H2O 等)发生化学反应, 使钢料表层变成氧化铁(即生成氧化皮),此现象称为氧化。,氧化过程的实质 钢中的铁以离子状态由内部向表面扩散,炉气中氧以原子状态吸附到钢坯表面并向内部扩散, 使氧化反应不 断向钢坯内部深入,结果形成由三层不同氧化铁组成的氧化皮。,氧化过程的化学反应式,氧化危害性 造成金属的烧损,每加热一次,烧损量约占金属重量的1.53%; 降低锻件表面质量,使锻件表面形成凹陷和麻点，严重时会造成加工余量不够,使锻件报废; 加剧模具和工具的磨损。 精锻时,应采用少无氧化的加热方法。,在保证锻件质量的前提下,应尽量采用快速加热,缩短加热时间,尤其是缩短高温下停留的时间; 应尽量采用少装、勤装的操作方法;,防止和减少氧化的措施,炉膛应保持不大的正压力,以防止空气被吸入; 尽量采用少无氧化加热方法。,二、脱碳 钢在高温加热时: 表层中的碳和炉气中氧化性气体(如O2、CO2 、H2O),以及某些还原性气体(如H2)发生化学反应, 使钢的表层含碳量减少,称为脱碳。,脱碳过程的化学反应方程式 2Fe3C+O26Fe+2CO Fe3C+2H2 3Fe+CH4 Fe3C+H2O 3Fe+CO+H2 Fe3C+CO2 3Fe+2CO 脱碳过程中: 炉气中的氧向钢内扩散; 钢中的碳则向外扩散。,脱碳的结果 钢表层变成含碳量低的脱碳层。 当脱碳层深度超过锻件加工余量时: 会使零件表面的硬度和强度降低; 影响零件的使用性能。 严重时会发生锻造龟裂(网状裂纹)现象。,影响脱碳因素 钢的化学成分 当钢中含碳量愈高,其脱碳层愈深; W等合金元素也会加剧钢的脱碳。 所以高碳工具钢、轴承钢、高速钢及弹簧钢脱碳严重。 炉气成分 炉气成分中脱碳能力最强的介质是H2O,其次是CO2和O2 。,加热温度 在7001000时，钢表面形成的氧化皮能阻碍碳的扩散,脱碳过程比氧化缓慢； 当加热温度超过1000,脱碳将比氧化更为剧烈。 加热时间 加热时间越长,其脱碳层越厚。,减少脱碳的措施 采用快速加热,缩短钢料在高温阶段的加热时间; 对于已加热好的坯料应及时出炉锻造; 可在钢料表面涂上保护涂层(如玻璃粉)后再进行加热。,三、过热 当坯料加热温度超过始锻温度; 或坯料在高温下停留时间过长时; 引起晶粒粗大的现象称为过热。 晶粒开始急剧长大的温度称为过热温 度。,1.消除过热粗晶组织的方法 一般可采用锻造或热处理方法消除过热粗晶组织。 将锻坯重新加热,然后加大锻造变形程度; 或用热处理(正火或调质)的方法 可消除过热而产生的粗晶组织,其性能也随之恢复。,2.避免锻件产生过热的措施 严格控制加热温度,尽可能缩短高温下的保温时间; 加热时坯料不应放在炉内的局部高温区(如距 离喷嘴太 近);,锻造时要使锻件有足够的变形量,才能击碎粗大的奥氏体晶粒和分散在晶界上的网状碳化物; 当发生锻造设备出现故障而长时间停锻时,应及时降低炉温或将坯料取出。,四、过烧 金属加热到接近其熔化温度(过烧温度),并在此温度下长时间停留： 晶粒粗大； 晶界发生局部熔化,氧化性气体进一步渗入到晶界,使晶间物质(Fe、C、S)发生氧化,在晶界周围形成脆壳,破坏了晶粒之间的联系。 这一现象称为过烧。不同的钢料,其过烧温度也不同。,1.影响过烧的因素 炉气成分：含氧越多,越容易过烧; 化学成分: Ni 、M0合金元素易使钢料过烧。 加热时间： 加热时间愈长、加热温度越高，越容易过烧。,2.过烧的危害 当对过烧较轻的坯料进行锻造时,易使锻件表面产生网状裂纹(龟裂); 当过烧严重时，坯料会被击破成碎块,使锻件报废； 如坯料只是局部过烧,可将局部切除掉。,3.减少和防止过烧措施 严格遵守加热规范,特别要控制出炉温度及在高温时的停留时间; 一般低于过烧温度100200加热，即可避免过烧。,五、裂纹 裂纹产生的原因 温度应力 钢料加热时：表面和中心温差较大,造成温度应力，使芯部产生裂纹。 加热速度越快、钢料断面尺寸越大,其断面温差也越大,产生温度应力越大，裂纹倾向越大。,残余应力 钢锭在凝固和冷却过程中：外层与内部冷却速度不同而产生残余应力, 有可能导致钢料产生内部裂纹;,组织应力 具有相变的钢料在加热过程中：表层和心部先后发生相变也会引起组织应力。,防止裂纹产生的措施 低温时应避免加热速度过快 钢料在500550以下加热时,塑性较低、温度应力较大,在温度应力和钢料原有残余应力的共同作用下,可能产生内部裂纹,应避免加热速度过快。,大钢锭和导温性差的高合金钢，低温阶段必须缓慢加热,第三节 钢料锻造温度范围确定,锻造温度范围是指钢料开始锻造的温度(即始锻温度)和结束锻造的温度(即终锻温度) 区间。 为保证钢料在锻造过程中,塑性高、变形抗力小,锻后能获得良好的内部组织 : 钢料必须在所规定的温度范围内进行锻造。,一、锻造温度范围确定锻造温度范围确定方法 普通碳钢可根据铁-碳平衡图直接确定; 合金结构钢可参考含碳量相同的碳钢来确定; 塑性较低的高合金钢,及无相变的奥氏体钢、铁素体钢,必须通过试验确定。,锻造温度范围制订的基本原则 钢料在锻造温度范围内应具有良好的塑性和较低的变形抗力; 能锻出优质锻件; 为减少加热火次,提高锻造生产率,锻造温度范围应尽可能宽。,必须保证钢无过烧现象; 对于碳钢：始锻温度应比铁-碳平衡图的固相线低150250 。,二、始锻温度确定,应考虑到坯料组织、锻造方式和变形工艺等因素的影响。 例一 ：采用钢锭直接锻造 铸态组织比较稳定,产生过烧的倾向性小,因此钢锭的始锻温度可比同钢种钢坯高出2050;,例二 ：当采用高速锤进行精锻 因高速变形会产生很大的热效应,使坯料温度急速升高,引起过烧,所以高速锻造始锻温度应比常规锻造约低100左右。,三、终锻温度 在锻造过程中,坯料的热量向外扩散而使温度逐渐下降,当降低到一定温度后,即便加工的锻件还没成形,也要立即停止锻造。 结束热锻造的最低温度称为终锻温度。,终锻温度确定原则 保证钢料在终锻前具有足够的塑性; 使锻件获得良好的组织性能。 一般,钢料的终锻温度应高于金属的再结晶温度50100 。 可保证锻后再结晶完全,使锻件内部获得晶粒细小的再结晶组织。,金属及合金材料的再结晶温度 纯金属的再结晶温度 ： T再0.4 T熔 一般碳钢的再结晶温度： T再=600650 高合金钢的再结晶温度 ： T再(0.60.65) T熔,耐热钢的再结晶温度 ： T再(0.70.85) T熔 式中 T熔-钢料熔点; 由上式可见: 高合金钢和耐热钢的再结晶温度比碳钢高。,终锻温度制订 终锻温度过高 锻件锻后在冷却过程中，内部晶粒会继续长大,出现粗晶组织,使其力学性能降低,尤其是冲击韧性。 终锻温度过低(低于再结晶温度) 不仅会导致锻件内部出现加工硬化组织和残余应力而引起开裂;还会使锻件局部产生粗大晶粒。,碳钢终锻温度 低碳钢 (c0.25%): 在A3线(由奥氏体析出铁素体的开始线)以下的两相区(奥氏体和铁素体)也有足够的塑性 因此终锻温度可在A3线以下。,中碳钢(c=0.250.6%): 终锻温度可在奥氏体单相区 其组织均匀、塑性良好,可满足要求;,高碳钢(c0.6%): 一般处于奥氏体和渗碳体的双相区。 为了击碎网状的渗碳体,在Acm线以下还应继续锻打,但温度又不能太低,否则其塑性将下降。 所以终锻温度应高于A1线50 100以上;,四、各类钢的锻造温度范围 钢的合金元素含量越高,熔点愈低,始锻温度也愈低;,合金元素含量越高,其再结晶温度越高,终锻温度也越高,故其锻造温度范围也愈小。,一、加热规范 坯料从装炉到加热结束,整个过程中,炉温随时间的变化关系。,第四节 钢料的加热规范,加热规范内容 钢料的装炉温度; 加热升温速度; 最终加热温度; 各阶段加热和保温时间及总的加热时间等。,锻压生产常用的加热规范 一段、二段、三段、四段及五段式加热规范,其加热曲线如下:,二、加热规范的制定原则 加热时间短、生产效率高; 不引起过热和过烧、氧化脱碳少、加热均匀，不产生裂纹; 热能消耗少。 则高效、优质、节能,装炉温度 装炉温度的高低取决于钢料的温度应力、断面尺寸和导温性。 对于导温性好及断面尺寸小的钢料 装炉温度一般不受限制,可在高温下采用直接装炉（一段式快速加热）。,三、加热规范的制定,对于导温性差及断面尺寸大的钢料 开始预热阶段,钢料温度低、塑性差,应限制装炉温度,尤其是对于大钢锭及高合金钢,不但装炉温度较低,还应在该温度下进行保温。,加热速度 钢料加热时,在单位时间内其表面温度上升的度数(/h); 也可用单位时间内钢料热透的厚度(mm/min)表示。 最大可能的加热速度M 加热炉按最大供热能量升温时所能达到的加热速度。,允许的加热速度 加热过程中,在钢料不破坏的条件下所允许的加热速度。 主要取决于加热过程中产生的温度应力。 当钢料的导温系数愈高,强度极限愈大,断面尺寸愈小,则允许的加热速度愈大。,钢材加热速度的确定 对于导温性好的低碳钢、低合金钢或断面尺寸小的钢锭 可按最大可能的加热速度进行加热。,对于导温性差的高碳钢、高合金钢或断面尺寸大的钢锭 a)当炉温低于700850时: 炉温与坯料表面温差较大,钢料导温性差, 温度应力大;,钢料在低温时塑性较差,加上原有因冷却不均而产生的残余应力,产生裂纹的危险性最大。 所以炉温低于700850时,应按钢料允许的加热速度进行加热。,b)当炉温超过700850后: 由于钢料塑性急剧增加,温度应力和残余应力逐渐得到消除,产生裂纹危险性大为减少。 可按最大可能的加热速度进行加热。,均热保温 五段式加热曲线,有3个保温平台： 装炉温度下的保温(平台) 保温目的： 防止钢料在加热过程中,因温度应力而引起破坏,特别是钢料在200400时很可能会发生蓝脆破坏。, 700850的保温(平台) 为减少前一段加热在钢料断面所引起的温差,及温度应力; 使坯料在锻造温度下保温时间不致过长；,对于有相变且尺寸较大的钢料, 为减小因相变吸热，造成内外温差过大, 也需要在第阶段进行保温。,锻造温度下保温(平台) 保温目的 减少钢料断面上的温差,使内外温度更均匀； 使钢料组织更均匀(如高速钢可使碳化物溶于固溶体中), 减少锻造时的不均匀变形； 提高金 属塑性和锻 件的质量。,保温时间 为避免产生过热与过烧现象,保温时间不易过长； 钢锭在锻造温度下的最大保温时间:,加热时间 坯料在炉中均匀加热到规定温度所用的时间。 钢锭或大型钢坯加热时间 冷锭料或大型钢坯 在室式炉中从0 1200的加热时间可用经验公式确定。（p26,式3-7） 结构钢热钢锭 及热钢坯 可参考图示曲 线制定。,钢材或中小钢坯的加热时间 在连续或半连续加热炉中加热,可按如下经验公式计算 =a0 D (h)式中 D-钢料直径或边长,cm; a0-与钢料化学成分有关的系数, 对于碳素结构钢: a0=0.100.15; 对于合金结构钢: a0=0.150.20; 对于工具钢和高合金钢: a0=0.30.4。,在室式加热炉中加热 a)直径为200350mm的单件钢坯加热 可按表中经验数据确定,b)对于多件及短料加热 可按上表中经验数据,再乘以右表中 相应的系数k1和k2。,c)对于直径小于200mm的钢材 可用实验数据和图表确定。 上述经验计算结果与实际情况往往误差较大,因为它没有考虑更多的影响因素,只能作为参考使用。 而采用实验数据和图表确定加热时间，就比较准确。,直径小于200mm钢材,其加热时间 : 先由右图中曲线查得其加热时间碳；,考虑到装炉方式、坯料尺寸和钢的成分等因素的影响， 所查得加热时间碳值 还应乘以相应的系数k1 、k2和k3 : =k1K2k3碳,实例: 加热一组100mm 150mm的T9钢,其始锻温度为1100;炉温为1200;坯料的间距约100mm, 求加热时间？,从曲线图查得 当直径为100mm;始锻温度为 1100; t炉= 1200时: 查得其加热时间约为26 min。,从右图相应表格查得: 当料距d=100mm时, 查得 k1=1.2; 当坯料尺寸系数 k2=l /d=150/100=1.5时, 查得 k2=0.92; 从钢种系数k3表中 查得碳素工具钢的 k3=1.25= k1k2k3碳 =1.2 0.92 1.25 26=36 (min) 。,四、钢锭的加热规范 一般大型自由锻件与高合金钢锻件多以钢锭作为原材料。 钢锭分类 按钢锭的规格大小分为 大型钢锭: 其重量大于22.5t、直径大于500550mm; 小型钢锭: 其规格小于上述尺寸。 按加热装炉前钢锭的温度分为 冷钢锭(室温)与热钢锭(其表面温度600 )。,冷钢锭的加热规范 冷钢锭加热的关键是在低温阶段。 当低于500时：钢锭塑性很差；其内部具有残余应力； 各种组织缺陷还会造成应力集中。 如果加热规范制订不当,就很容易引起裂纹。 对冷锭料在低温阶段加热时,必须限制其装炉温度和加热速度。,大型冷锭料加热按钢材的塑性和导温性高低分组 大型冷锭料加热时,一般按钢材的塑性和导温性高低分为三组,分段制订加热规范 由于钢的断面尺寸大,产生温度应力也大,因此大型冷钢锭按其断面尺寸大小, 分别采用二段、三段、四段、五段式分段加热规范。,小型冷锭料加热 由于断面尺寸小,加热时温度应力不大 对于碳素钢和低合金钢小锭料 均可采用一段式的快速加热规范。,对于高合金钢小锭料 因低温导热性差,应和大型冷锭料加热时一样,采用分段式的加热规范。 大型冷钢坯加热规范 对于大型冷钢坯的加热规范,可参考相应冷锭料的加热。,冷锭料加热时的注意事项 严禁冷、热锭料同炉混装加热; 装炉时： 底部垫高 200mm; 与炉壁相距 200mm; 与烧嘴相距 500mm。 冬天加热冷锭料时,应先在炉前放置一段时间后,再进行装炉加热。,热钢锭的加热规范 由炼钢车间脱模后直接送到锻压车间、其表面温度不低于600的钢锭称为热锭。 热钢锭加热时,由于处于塑性状态下,锭心温度高,加热时其温度应力很低，不会遭成危险。 因此热钢锭装炉温度不受限制,装炉后即可按最大加热速度进行加热,其加热时间只有冷锭料的一半,甚至更短,从而可节省燃料。,五、 中小钢坯的加热规范 中、小钢坯的加热特点 钢坯经塑性变形,强度和塑性均得到提高,内部组织为再结晶组织。 加热时不易产生裂纹破坏,允许采用高温直接装炉和用最大可能的加热速度进行快速加热(某些特殊低塑性合金除外) 。 当坯料加热到始锻温度后,断面尺寸小的钢坯,可立即出炉锻造,而断面尺寸大的钢坯,虽需保温,但时间很短。,中、小钢坯加热规范 对于直径 150200mm以下的碳素结构钢钢坯和直径 100mm的合金结构钢钢坯： 可用最大可能的加热速度，采用一段式加热规范进行快速加热,其装炉温度一般为13001350;,对于直径等于 200350mm的碳素结构钢钢坯(含碳量0.450.5%)和合金结构钢钢坯,可采用三段式加热规范: 装炉温度约在11501200范围; 装炉后要进行保温,时间约为整个加热时间的510% ; 以最大可能的加热速度进行加热; 当加热到始锻温 度后需保温均热,其 保温时间也为整个加 热时间的510% 。,对于导温性较差、热敏感性强的合金钢坯(如高铬钢、高速钢) 装炉温度较低,为400650 ,宜采用多段式加热规范。,一、少无氧化加热优点 可减少金属的烧损; 降低锻件表面粗糙度,提高尺寸精度; 提高模具的使用寿命。 实现少无氧化加热的方法主要有: 快速加热、,第五节 少无氧化加热,和少无氧化火焰加热等。,介质保护加热,二、快速加热 是采用技术上可能的加热速度来加热金属。 通常可采用 火焰加热： 辐射快速加热和对流快速加热; 电加热： 感应电加热和接触电加热等。,实现快速加热的方法 提高炉温（14001500）； 采用高温装炉, 提高加热速度。 适用范围 目前,坯料所能达到的最大直径是 对于火焰快速加热: 150160mm; 对于感应电加热: 3050mm 。 快速加热法只适用于少氧化程度要求不高的工艺条件下使用。,三、介质保护加热 是在坯料表面四周采用保护介质与氧化性炉气隔开所进行的加热。 可避免金属坯料的氧化,实现少无氧化加热。,保护介质的分类 保护介质有气体、液体和固态三类 气体介质 惰性气体: 氬、氦、氮等; 石油液化气; 不完全燃烧的煤气。 液体介质: 如玻璃熔体、熔融盐。 固态介质: 如玻璃粉、石墨粉等。,介质保护加热方法 在马弗炉中通保护气体加热(适合于小锻件) 这种炉子的炉底有马弗管(采用碳化硅制成),坯料放在马弗管内,管中通保护性气体。 加热时高温炉气在马弗管外燃烧,并通过马弗管热辐射作用加热锻件。,在推杆式或半连续玻璃浴炉中加热(适合于小锻件) 这种炉底具有凹形的加热段,其内熔有高温玻璃液, 当坯料连续推过高温玻璃浴后便被加热并保护其不被氧化。,坯料表面涂敷保护涂层加热 如涂玻璃粉,随炉温升高,涂层逐渐熔融成一薄膜,既能防止氧化,又起润滑作用。,四、少无氧化火焰加热 采用火焰加热方法,通过控制燃烧炉气的性质,使钢料加热且可达到少无氧化,称为少无氧化火焰加热。,工作原理 一室二区敞焰少无氧化加热炉。 使燃料在炉内采取分层燃烧,即在同一炉內分成两个不同的燃烧区,并控制燃料分层进行不同性质的燃烧。,炉膛下部为低温无氧化区 是通过调节一次空气量,使燃料(煤气或液体燃料)进行不完全燃烧,以形成还原性的炉气(如CO和H2),可保护钢料不被氧化。 此区炉温较低。,炉膛上部为高温氧化区 由于通入经预热的二次空气, 使燃料充分完全燃烧,产生大量热量而形成高温区, 可对保护气层下的坯料进行辐射传热,从而实现少无氧化加热。,2.少无氧化火焰加热方法优点 烧损可小于0.3%或0.02g/cm2; 炉子制造简单; 加热成本较低; 炉子对坯料的适应性大。,