鍛后熱處理工藝研討

塑性體積成形及模具討論課

鍛后熱處理工藝研討鍛件熱處理鍛件在機(jī)械加工前后，均須進(jìn)行熱處理。機(jī)械加工前的熱處理稱為鍛件熱處理（也稱毛坯熱處理或第一熱處理）。機(jī)械加工后的熱處理稱為零件熱處理（也稱最終熱處理或第二熱處理）。通常熱處理是在鍛壓車間進(jìn)行的。一、鍛后熱處理的目的1、消除鍛造應(yīng)力，降低鍛件的表面硬度，提高其切削加工性能，這是鍛后熱處理最直接和最初級(jí)的目的。2、調(diào)整與改善鍛件在鍛造過程中所形成的過熱與粗大晶粒，降低大型鍛件內(nèi)部化學(xué)成分與金相組織的不均勻性，細(xì)化鋼的奧氏體晶粒。3、調(diào)整鍛件的硬度，以利于鍛件進(jìn)行切削加工。4、對(duì)于不再進(jìn)行最終熱處理的工件，通過鍛后熱處理還應(yīng)使鍛件達(dá)到產(chǎn)品技術(shù)條件所要求的各種性能指標(biāo)。二、熱處理方法1、中、小型鍛件熱處理中、小型鍛件根據(jù)鋼種和工藝要求不同，常采用退火、正火、淬火-回火、淬火-時(shí)效處理等。各種鋼鍛件熱處理加熱溫度范圍如圖：1）退火鍛件的退火工藝有完全退火、球化退火、低溫退火和等溫退火等，須根據(jù)鍛件材質(zhì)和變形情況來選定。a、完全退火：加熱到Ac3線以上30℃~50℃，經(jīng)保溫后隨爐冷卻，得到近似平衡狀態(tài)的組織。

處理目的：通過完全退火來細(xì)化晶粒，均勻組織，消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度，便于切削加工，并為加工后零件的淬火作好組織準(zhǔn)備。

適用范圍：只適用于亞共析鋼，不宜用于過共析鋼，過共析鋼緩冷后會(huì)析出網(wǎng)狀二次滲碳體。b、球化退火：球化退火是使鋼中碳化物球化而進(jìn)行的退火工藝。將鋼加熱到Ac1以上20～30℃，保溫一段時(shí)間，然后緩慢冷卻到略低于Ar1的溫度，并停留一段時(shí)間，使組織轉(zhuǎn)變完成，得到在鐵素體基體上均勻分布的球狀或顆粒狀碳化物的組織。處理目的：其主要目的在于降低硬度，改善切削加工性，并為以后淬火作好準(zhǔn)備。這種工藝有利于塑性加工和切削加工，還能提高機(jī)械韌性。適用范圍：球化退火主要適用于共析鋼和過共析鋼，如碳素工具鋼、合金工具鋼、軸承鋼等。c、低溫退火：鋼件的加熱溫度低于Fe—C合金加熱時(shí)共析轉(zhuǎn)變溫度(Ac1)的退火。處理目的：是使鋼件軟化，以便于切削加工或隨后進(jìn)行的冷變形。低溫退火不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，常用于合金鋼坯消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度。

適用范圍：常用來消除鋼錠和鍛連鑄/軋鋼材的內(nèi)應(yīng)力并降低硬度，防止引起開裂、軋件變形和便于表面清理。

d、等溫退火：將鍛件加熱至Ac3線以上20℃~30℃，經(jīng)保溫一段時(shí)間，然后急冷到Ar1線以下某一溫度再經(jīng)適當(dāng)保溫，然后空冷或隨爐冷卻。處理目的：與完全退火或球化退火相同，但可以縮短退火時(shí)間，而且有利于除氫，消除白點(diǎn)。適用范圍：適用于亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼等。2）正火對(duì)于亞共析鋼、共析鋼和過共析鋼鍛件，除了細(xì)化晶粒，消除內(nèi)應(yīng)力外，如果還要求增加強(qiáng)度和韌性，或?yàn)榱讼W(wǎng)狀碳化物，便應(yīng)采用正火。正火是將工件加熱至Ac3(Ac是指加熱時(shí)自由鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了溫度，一般是從727℃到912℃之間)或Acm(Acm是實(shí)際加熱中過共析鋼完全奧氏體化的臨界溫度線)以上30~50℃，保溫一段時(shí)間后，從爐中取出在空氣中或噴水、噴霧或吹風(fēng)冷卻的金屬熱處理工藝。對(duì)于形狀復(fù)雜的重要鍛件，在正火后還需進(jìn)行高溫回火（550-650℃）高溫回火的目的在于消除正火冷卻時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，提高韌性和塑性。其目的是在于使晶粒細(xì)化和碳化物分布均勻化。

3）淬火-回火淬火是為了獲得不平衡的組織，以提高強(qiáng)度和硬度，將鋼加熱到臨界溫度Ac3（亞共析鋼）30~50℃或Ac1（過共析鋼）以上溫度，經(jīng)保溫后急冷?；鼗鹗菫榱讼慊饝?yīng)力，獲得較穩(wěn)定的組織，將鍛件加熱到Ac1線以下某一溫度，保溫一段時(shí)間，然后空冷或快冷。含碳量小于0.25%的低碳鋼鍛件，為了改善鋼的切削加工性能，有時(shí)也采用淬火-回火處理。對(duì)于含碳量小于0.15%的低碳鋼鍛件，只進(jìn)行淬火。

4）淬火-時(shí)效高溫合金和能夠通過熱處理強(qiáng)化的鋁合金、鎂合金，在鍛后常采用淬火-時(shí)效處理。淬火是將合金加熱到適當(dāng)溫度，經(jīng)充分保溫，是合金中某些組織生成物溶解到基體中去形成均勻的固溶體，然后迅速冷卻，稱為過飽和固溶體，又稱為固溶處理。目的是改善合金的塑性和韌性，并為進(jìn)一步時(shí)效處理做好組織準(zhǔn)備。時(shí)效處理是把過飽和固溶體或經(jīng)冷加工變形后的合金置于室溫或加熱至某一溫度，保溫一段時(shí)間，使事先溶解于基體內(nèi)的物質(zhì)，均勻彌散的析出。目的是提高合金的硬度和強(qiáng)度。2、大型鍛件熱處理由于大型鍛件的斷面尺寸大，生產(chǎn)過程復(fù)雜，其熱處理應(yīng)考慮以下特點(diǎn)：1）組織性能很不均勻；2）晶粒粗大；3）存在較大殘余應(yīng)力；4）加熱速度很慢，在高溫區(qū)域停留時(shí)間長(zhǎng)；5）容易出現(xiàn)白點(diǎn)缺陷。因此，大型鍛件熱處理的任務(wù)除了消除應(yīng)力，降低硬度以外，主要是預(yù)防鍛件出現(xiàn)白點(diǎn)；其次是使鍛件化學(xué)成分均勻化，調(diào)整與細(xì)化鍛件組織。主要分為防止白點(diǎn)的熱處理和細(xì)化晶粒的熱處理（正火-回火）。A、防止白點(diǎn)的熱處理通過去氫退火將鍛件中的氫降低至鋼的無白點(diǎn)或無氫脆極限氫含量以下，并使其分布均勻，以免除白點(diǎn)、氫脆的危害。對(duì)于絕大多數(shù)大型鍛件來說，這是鍛后熱處理的首要任務(wù)。去氫退火的關(guān)鍵工藝參數(shù)是：（1）退火溫度通常取650±10℃，因此溫度與鋼的高溫回火相近。故經(jīng)常將去氫退火與高溫回火合并進(jìn)行。（2）保溫時(shí)間參看典型工藝曲線近似確定，或根據(jù)實(shí)際工件的定氫結(jié)果、經(jīng)由鍛件的擴(kuò)氫計(jì)算確定。（3）冷卻速度應(yīng)足夠緩慢，以防因在冷卻過程中瞬時(shí)應(yīng)力過大而出現(xiàn)白點(diǎn)，并盡量減少鍛件中的殘余應(yīng)力。通常將冷卻過程分為兩個(gè)階段：在400℃以上，因鋼處于塑性較好、脆性較低的溫度范圍，冷速可稍快一點(diǎn)；在400℃以下，因鋼已進(jìn)入冷硬和脆性較大的溫度范圍，為了避免開裂和減少瞬時(shí)應(yīng)力，應(yīng)采用更為緩慢的冷卻速度。B、細(xì)化晶粒的熱處理對(duì)于大多數(shù)碳鋼鍛件和部分低合金鋼鍛件來說，鍛后熱處理就是它的最終熱處理，應(yīng)在鍛后熱處理工藝中安排一次正火和高溫回火，以使其獲得必要的組織與性能。關(guān)鍵工藝參數(shù)是：（1）加熱速度在≈600℃以下，鋼處于冷硬狀態(tài)，要限制加熱速度、或在適當(dāng)?shù)臏囟燃?~2個(gè)等溫臺(tái)階，以努力減少大型鍛件中的內(nèi)外溫差和瞬時(shí)應(yīng)力。在650~700℃，要加一個(gè)溫度臺(tái)階，以盡量減少鍛件在發(fā)生加熱轉(zhuǎn)變時(shí)的內(nèi)外溫差與轉(zhuǎn)變的不同時(shí)性，可以減少工件中的應(yīng)力與變形。在700℃以上，尤其在Ac1以上，應(yīng)努力提高大型工件的加熱速度，以加大鋼在發(fā)生加熱轉(zhuǎn)變時(shí)的過熱度，爭(zhēng)取獲得更好一些的晶粒細(xì)化效果。（2）過冷溫度因鋼種不同而不同，在可能的情況下，應(yīng)盡可能低下，以使組織轉(zhuǎn)變更為徹底和獲得更細(xì)一些的組織。一般熱裝爐為350~400℃或400~450℃，冷裝爐為300~450℃。下面是一個(gè)熱裝爐的正火-回火曲線：三、熱處理爐熱處理是機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)中極其重要的工藝，該工藝所用的主要加熱設(shè)備就是熱處理爐。1、按熱能來源分：電阻爐、燃料爐、煤氣爐、油爐等。2、按工作溫度分：低溫爐（≤650℃）、中溫爐（650℃~1000℃）、高溫爐（＞1000℃）。3、按爐膛介質(zhì)分：自然介質(zhì)爐、浴爐、可控氣氛爐、真空爐。4、按爐膛形式分：箱式爐，井式爐，罩式爐，貫通式爐，轉(zhuǎn)底式爐，管式爐；5、按作業(yè)規(guī)程分：周期作業(yè)爐、連續(xù)作業(yè)爐、脈動(dòng)式爐、連續(xù)式爐。6、按生產(chǎn)用途分：退火爐、淬火爐、回火爐、正火爐、滲碳爐、氮?dú)鉅t。7、按電源頻率分：工頻爐、中頻爐、高頻爐。工業(yè)鍛造用熱處理爐1.間歇式爐：間歇式爐是周期性操作爐子，一般每天生產(chǎn)一班或二班，所以又稱周期式爐：又因工件在爐內(nèi)是進(jìn)行分批加熱的，所以又稱分批式爐。其特點(diǎn)是：①爐內(nèi)不分溫度區(qū)段，在每一加熱周期內(nèi)爐溫隨時(shí)間變化；②工件放在爐內(nèi)一定位置不動(dòng)，直到加熱完畢后取出；③裝出料使用同一爐門，機(jī)械化程度低，多用人工或簡(jiǎn)單機(jī)械出料，只有少數(shù)大型室式爐配有專門裝出料機(jī)械；④煙氣離爐溫度高，爐子熱效率低。間歇式爐的種類和形式很多，鍛壓行業(yè)主要使用室式爐和臺(tái)車式爐。（1）室式爐適用于單件小批量鍛件的加熱或熱處理加熱。一般單室爐適用于中小型自由鍛的鍛件加熱；雙室爐適用于鍛件品種少、產(chǎn)量大，供模鍛錘或自由鍛錘胎模鍛造時(shí)加熱，或合金鋼預(yù)熱用；雙門單室式爐適用于鍛件較大，特別是鋼錠開坯時(shí)加熱。（2）臺(tái)車式爐臺(tái)車式爐又稱車底式爐。適用于單件小批量生產(chǎn)的各種鋼錠，鋼坯的鍛前加熱或鍛件熱處理加熱。由于爐底可以進(jìn)出爐內(nèi)，便于裝出料，多與自由鍛和水壓機(jī)配用。2.連續(xù)式爐連續(xù)式爐主要用于生產(chǎn)批量較大、形狀規(guī)則、生產(chǎn)節(jié)拍較快的工件鍛前加熱或鍛后熱處理加熱，其主要特點(diǎn)如下：①由于是連續(xù)進(jìn)出料，所以爐子生產(chǎn)率高；②爐內(nèi)溫度分段，在加熱過程中每一區(qū)段的溫度是不變化的；③煙氣流動(dòng)方向與工件移動(dòng)方向相反，加熱段煙氣流經(jīng)預(yù)熱段對(duì)工件進(jìn)行預(yù)熱，從而降低了煙氣離爐溫度，提高了爐子熱效率。連續(xù)式爐的種類很多，鍛壓行業(yè)主要使用貫通式爐、推桿式爐、環(huán)形爐、盤形爐和振底式爐等。（1）貫通式爐適用于批量生產(chǎn)的中小鍛件鍛前加熱或鍛后熱處理加熱，多于小型自由鍛錘或模鍛錘配用，采用人工裝出料，機(jī)械化程度低，因此工件不能太重爐底不能太長(zhǎng)。（2）推桿式爐適用于工件形狀規(guī)則、長(zhǎng)短適宜的各類工件的批量生產(chǎn)，如棒料，扁坯、方料等。由于生產(chǎn)率高，多與模鍛錘配用。推桿式熱處理爐通常把工件裝在料盤內(nèi)加熱，對(duì)于這類爐子又稱推盤式爐。廣泛應(yīng)用于耐磨鋼球、小型機(jī)件的淬火，正火，退火，回火，滲碳和滲氮等熱處理。（3）轉(zhuǎn)底式爐是借爐底的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使放置在爐底上的工件在爐內(nèi)由裝料口移動(dòng)到出料口的一種機(jī)械化爐型，有環(huán)形和盤形兩種。多用于鍛造和軋制前的工件加熱和其后的熱處理加熱，適用于加熱大批量生產(chǎn)的短棒料、方料、圓餅及各種異型坯等。3.局部加熱爐局部加熱爐主要用于鍛件的局部加熱，如棒料的端部加熱等，其特點(diǎn)如下：①熱工制度大多為周期式操作，爐內(nèi)溫度不分區(qū)段；②工件不全部放入爐內(nèi)加熱，而是加熱工件的端部或某局部部位；③不設(shè)置爐門，工件放入處爐口敞開，微正壓操作；④煙氣離爐溫度高，熱效率低⑤爐子機(jī)械化程度低局部加熱爐有手鍛爐，開隙式爐和網(wǎng)眼爐等。四、熱處理時(shí)出現(xiàn)的問題及注意事項(xiàng)1、變形機(jī)器零件在熱處理過程中由于組織應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用要產(chǎn)生變形，大型鍛件熱處理后，由于其截面尺寸較大，更不可避免的要產(chǎn)生很大的外形尺寸的變化。這種變化往往可超過鍛件的鍛造余量或粗加工余量，所以必須防止。影響熱處理時(shí)零件彎曲的原因：（1）零件在爐內(nèi)的裝置方法（2）加熱的溫度、加熱方法及受熱的均勻情況（3）冷卻劑的特性（4）冷卻的方法（5）冷卻的均勻程度下面詳細(xì)說明：零件在爐床上的放置是影響大型鍛件熱處理后彎曲的主要關(guān)鍵。因此，在裝爐時(shí)零件，尤其是曲拐軸類，必須襯墊得很結(jié)實(shí)，同時(shí)要很穩(wěn)定，防止在熱狀態(tài)下因零件自重而導(dǎo)致變形。在臺(tái)車爐床上墊零件的墊鐵，可以采用不同尺寸的方鐵和楔形鐵。加熱過程中使鍛件不產(chǎn)生變形的關(guān)鍵在于如何保證鍛件受熱均勻。在臺(tái)車爐處理時(shí)可以依靠調(diào)整每個(gè)燃燒咀的煤氣量及空氣量。另外還可以調(diào)整總閥門以控制加熱速度，使?fàn)t膛保持正壓，以保證鍛件加熱均勻。冷卻時(shí)也和加熱一樣，不均勻的冷卻同樣會(huì)造成零件的變形。在正火或回火冷卻過程中應(yīng)避免過堂風(fēng)，以防止鍛件迎風(fēng)面冷卻過快，產(chǎn)生撓曲。在淬火冷卻過程中，為了減小變形，對(duì)長(zhǎng)形零件最好采用井式爐加熱與垂直狀態(tài)淬火。2、零件的開裂熱處理零件的開裂是由于熱處理中的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力所造成的。在鍛件中引起大的應(yīng)力與應(yīng)力集中的主要原因是：熱處理工藝的規(guī)定與執(zhí)行不正確以及零件的內(nèi)在缺陷（包括夾雜物、偏析、未鍛合的微小氣孔、鍛造重皮以及白點(diǎn)等）。由于應(yīng)力與零件內(nèi)部缺陷二者的綜合作用，導(dǎo)致應(yīng)力的集中，從而超過了鍛件的斷裂強(qiáng)度而產(chǎn)生開裂。另外在淬火冷卻時(shí)，油冷時(shí)間過長(zhǎng)，終冷溫度過低，