锻造工艺学 (2)精选文档.ppt

锻造工造工艺学学本讲稿第一页，共八十页一、加热目的一、加热目的提高金属塑性，降低变形抗提高金属塑性，降低变形抗力，即力，即增加金属的增加金属的可锻性可锻性。使之易于流动成形并获得良使之易于流动成形并获得良好的锻后组织和力学性能。好的锻后组织和力学性能。3-1 锻前加热的目的及方法锻前加热的目的及方法本讲稿第二页，共八十页可锻性可锻性衡量指标：金属的塑性和变形抗力金属的塑性和变形抗力影响可锻性的因素：影响可锻性的因素：1 1金属的本质金属的本质化化学学成成分分 纯金属的可锻性比合金好。而钢的可锻性随碳和合金元素的质量分数的增加而变差。组组织织结结构构 固溶体（如奥氏体）的可锻性好，而化合物（如渗碳体）差。金属在单相状态下的可锻性比在多相状态下的好。细晶粒金属的塑性较粗晶粒的好，可锻性较好。（但变形抗力较大）本讲稿第三页，共八十页2 2压力加工条件压力加工条件 1）变形温度变形温度随着温度的升高，钢的强度下降，塑性上升，即钢的可锻性变好。因此，压力加工都力争在高温下进行，即采用热变形。即确定锻造温度范围锻造温度范围。2 2）变形速度）变形速度1、随变形速度的增大，加工硬化严重，可锻性变坏。2、另一方面，在变形过程中，产生热效应现象。热效应现象使金属的塑性提高，变形抗力减小，可锻性变好。但是，除了高速锤以外，在普通锻压设备上都不可能超过临界临界变形速度变形速度。所以，一般塑性较差的金属，应以较小的变形速度，在压力机上进行锻造。本讲稿第四页，共八十页3 3）应力状态）应力状态三个方向中压应力的数目越多，则金属的塑性越好。拉应力的数目越多，则金属的塑性越差。压应力使各种缺陷受到抑制，不易扩展，故可提高金属的塑性。在拉应力作用下，极易扩展，甚至破坏，使金属失去塑性。同号应力状态下的变形抗力大于异号应力状态下的变形抗力。综上所述，金属的可锻性既取决于金属的本质，又取决于加工条件。在压力加工过程中，要力求创造最有利的加工条件，提高塑性，降低变形抗力。本讲稿第五页，共八十页 锻前加热是整个锻造过程中的一个重要环节，锻前加热是整个锻造过程中的一个重要环节，对提高锻造生产率、保证锻件质量以降低能源对提高锻造生产率、保证锻件质量以降低能源消耗等都有直接的影响。恰当地选择加热温度，消耗等都有直接的影响。恰当地选择加热温度，就可使坯料在塑性较好的状态下进行成形。就可使坯料在塑性较好的状态下进行成形。本讲稿第六页，共八十页二、二、加热方法加热方法按所采用的热源不同，可分为按所采用的热源不同，可分为火焰加热火焰加热和和电加热电加热两大类。两大类。1火焰加热火焰加热利用燃料燃烧产生的热能对金属坯料进行加热。利用燃料燃烧产生的热能对金属坯料进行加热。燃料有煤，焦炭，柴油，煤气，天然气燃料有煤，焦炭，柴油，煤气，天然气火焰加热的优点是：燃料来源方便，炉子修造简单，加热费用较低，对坯火焰加热的优点是：燃料来源方便，炉子修造简单，加热费用较低，对坯料的适用范围广等。因此，这种加热广泛用于各种大、中、小型坯料的加料的适用范围广等。因此，这种加热广泛用于各种大、中、小型坯料的加热，在锻造生产中获得广泛应用。热，在锻造生产中获得广泛应用。缺点是：劳动条件差，加热速度慢，加热质量难以控制等。缺点是：劳动条件差，加热速度慢，加热质量难以控制等。本讲稿第七页，共八十页2电加热电加热是通过把电能转变为热能来加热金属坯料。利用电能转变是通过把电能转变为热能来加热金属坯料。利用电能转变为热能来加热金属的装置称为电炉。为热能来加热金属的装置称为电炉。优点是：加热速度快，炉温易控制，氧化脱碳少，便于实现机械优点是：加热速度快，炉温易控制，氧化脱碳少，便于实现机械化、自动化，劳动条件好。化、自动化，劳动条件好。缺点是：对毛坯的尺寸、形状的变化适应性不强，设备结构复杂，缺点是：对毛坯的尺寸、形状的变化适应性不强，设备结构复杂，投资费用较大，操作使用要求高。投资费用较大，操作使用要求高。电加热法按其传热方式可分为电加热法按其传热方式可分为电阻加热电阻加热（电阻炉加热、接触电加热、盐浴炉加热）（电阻炉加热、接触电加热、盐浴炉加热）感应电加热感应电加热本讲稿第八页，共八十页电阻加热电阻加热其传热原理与火焰加热相同。根据电阻发热元件的不同，有其传热原理与火焰加热相同。根据电阻发热元件的不同，有电阻炉加热、接触电加热、盐浴炉加热等。电阻炉加热、接触电加热、盐浴炉加热等。电阻炉加热：利用电流通过炉内的电热体产生的热量进行加热。该电阻炉加热：利用电流通过炉内的电热体产生的热量进行加热。该法受电热体的使用温度的限制，热效率较低。在电阻炉内辐射传热是加热法受电热体的使用温度的限制，热效率较低。在电阻炉内辐射传热是加热金属的主要方式。金属的主要方式。本讲稿第九页，共八十页接触电加热：是以低压大电流直接通过金属坯料，由金属坯接触电加热：是以低压大电流直接通过金属坯料，由金属坯料自身的电阻在通电时产生的热量而加热。常采用低电压大电料自身的电阻在通电时产生的热量而加热。常采用低电压大电流的方法。流的方法。其优点是：加热速度快、金属烧损少、加热范围不受限制、热效率高、其优点是：加热速度快、金属烧损少、加热范围不受限制、热效率高、设备简单、操作方便、适用于长坯料的整体或局部加热等优点。但对设备简单、操作方便、适用于长坯料的整体或局部加热等优点。但对坯料的表面粗糙度和形状尺寸要求严格，特别是坯料的端部要光洁、坯料的表面粗糙度和形状尺寸要求严格，特别是坯料的端部要光洁、平整，下料规则。此外，加热温度的测量和控制也比较困难。平整，下料规则。此外，加热温度的测量和控制也比较困难。本讲稿第十页，共八十页盐浴炉加热：是电流通过炉内电极产生的热量把导电介盐浴炉加热：是电流通过炉内电极产生的热量把导电介质熔融，通过高温介质的对流与传导将其中的坯料加热。质熔融，通过高温介质的对流与传导将其中的坯料加热。内热式电极盐浴炉原理如图内热式电极盐浴炉原理如图3-4所示。这种方法的加热速度所示。这种方法的加热速度快，加热温度均匀，可以实现坯料的整体或局部的无氧化快，加热温度均匀，可以实现坯料的整体或局部的无氧化加热。但其热效率低，辅助材料消耗大，劳动条件差。加热。但其热效率低，辅助材料消耗大，劳动条件差。本讲稿第十一页，共八十页 感应电加热感应电加热坯料放入感应圈中，在坯料放入感应圈中，在交变电流的感应电动势的作用下，坯料表交变电流的感应电动势的作用下，坯料表面形成强大的涡流，使坯料内部的电能直面形成强大的涡流，使坯料内部的电能直接转变为热能而加热。接转变为热能而加热。感应电加热具有加热速度快、加感应电加热具有加热速度快、加热质量好，温度易于控制、金属烧损热质量好，温度易于控制、金属烧损少、操作简单、工作稳定、便于实现少、操作简单、工作稳定、便于实现机械化、自动化。这些都有利于锻件机械化、自动化。这些都有利于锻件质量的提高。其缺点是：设备投资费质量的提高。其缺点是：设备投资费用高、每种感应器的尺寸范围窄、电用高、每种感应器的尺寸范围窄、电能消耗较大能消耗较大(大于接触电加热，小于大于接触电加热，小于电阻炉加热电阻炉加热)。本讲稿第十二页，共八十页感应电加热时，电流密度沿坯料横截面的分布为：感应电加热时，电流密度沿坯料横截面的分布为：中心电流小，表层大，这种现象称为中心电流小，表层大，这种现象称为趋肤效应趋肤效应。由于趋肤效应，为了提高加热速度和电效由于趋肤效应，为了提高加热速度和电效率，对大直径坯料，应选用低电流频率，小直率，对大直径坯料，应选用低电流频率，小直径坯料可选用较高电流频率。径坯料可选用较高电流频率。本讲稿第十三页，共八十页3-2 金属加热时产生的缺陷及防止措施金属加热时产生的缺陷及防止措施由金属学所学内容知，金属在加热时将产生以下的变化：由金属学所学内容知，金属在加热时将产生以下的变化：组织结构组织结构：组织转变，晶粒长大，过热、过烧：组织转变，晶粒长大，过热、过烧力学性能力学性能：塑性提高，变形抗力降低，残余应力消除，但也可能：塑性提高，变形抗力降低，残余应力消除，但也可能产生新的内应力，过大则会引起开裂产生新的内应力，过大则会引起开裂物理性能物理性能：导热系数、导温系统、膨胀系数、密度等均发生变化：导热系数、导温系统、膨胀系数、密度等均发生变化化学变化化学变化：表层发生氧化、脱碳、吸氢等，生成氧化皮与脱碳：表层发生氧化、脱碳、吸氢等，生成氧化皮与脱碳层层本讲稿第十四页，共八十页一、金属加热过程中的氧化一、金属加热过程中的氧化金属在高温炉内加热时，金属表面的合金元素金属在高温炉内加热时，金属表面的合金元素将和炉气中的氧化气体（如将和炉气中的氧化气体（如O2、CO2、H2O、和和SO2）发生反应，使金属表层生成氧化皮，这）发生反应，使金属表层生成氧化皮，这种现象称为氧化，或叫种现象称为氧化，或叫烧损烧损。本讲稿第十五页，共八十页氧化过程实质是氧化过程实质是扩散过程扩散过程。即炉气中氧以原子状态吸附到钢料表层。即炉气中氧以原子状态吸附到钢料表层后向内扩散，而钢料表层中的铁则以离子状态由内部向表面扩散，后向内扩散，而钢料表层中的铁则以离子状态由内部向表面扩散，扩散的结果使钢的表层变成为扩散的结果使钢的表层变成为氧化铁氧化铁。由于氧化皮的熔融和氧化皮与铁的膨胀系数不同，因此在氧由于氧化皮的熔融和氧化皮与铁的膨胀系数不同，因此在氧化物层内产生很大的内应力。会发生氧化皮的机械分离，从化物层内产生很大的内应力。会发生氧化皮的机械分离，从而加速金属的氧化。而加速金属的氧化。本讲稿第十六页，共八十页 氧化的影响因素氧化的影响因素主要有：主要有：炉气性质炉气性质、加热温度加热温度、加热时间加热时间、化学成分化学成分。炉气性质炉气性质火焰加热的炉气通常由氧化性气体（火焰加热的炉气通常由氧化性气体（O2、CO2、H2O、SO2），还原性气体（），还原性气体（CO、H2）和中性气体（）和中性气体（N2）组成。）组成。炉气的性质取决于燃料燃烧时的空气供给量。当供给空炉气的性质取决于燃料燃烧时的空气供给量。当供给空气过多时，炉气的性质为氧化性，那么氧化严重。相反，如供给气过多时，炉气的性质为氧化性，那么氧化严重。相反，如供给空气不足时，炉气则呈现还原性，氧化皮很薄，甚至不产生氧化。空气不足时，炉气则呈现还原性，氧化皮很薄，甚至不产生氧化。本讲稿第十七页，共八十页 加热温度加热温度温度越高，氧化扩散速度加快，氧化过程会加剧，温度越高，氧化扩散速度加快，氧化过程会加剧，结果形成的氧化皮也厚。一般，低于结果形成的氧化皮也厚。一般，低于570600时，氧化缓慢；超时，氧化缓慢；超过过900950后，氧化急剧增加。后，氧化急剧增加。加热时间加热时间时间越长，氧化皮越多。因此，采用快速加时间越长，氧化皮越多。因此，采用快速加热如电加热，缩短加热时间，尤其是在高温下的停留时间，对热如电加热，缩短加热时间，尤其是在高温下的停留时间，对减少氧化皮的产生具有很大的实际意义。减少氧化皮的产生具有很大的实际意义。(以上三者是外因以上三者是外因)本讲稿第十八页，共八十页化学成分化学成分(内因内因)当钢中当钢中含碳量含碳量大于大于0.3%时，随着钢中含碳量时，随着钢中含碳量的增多，生成的氧化皮将减少。这是因为含碳量高时，钢表面的增多，生成的氧化皮将减少。这是因为含碳量高时，钢表面氧化过程中生成了氧化过程中生成了CO，可削弱氧化性对钢表面的作用。还有一，可削弱氧化性对钢表面的作用。还有一些些金属元素金属元素，如，如Cr、Ni、Al、Mo等，它们在金属表面形成了牢固等，它们在金属表面形成了牢固紧密的薄膜，膨胀系数和钢几乎一致，加热过程中不易脱落，阻紧密的薄膜，膨胀系数和钢几乎一致，加热过程中不易脱落，阻止了氧向内部扩散，因此能防止钢表面继续氧化，薄膜起保护作止了氧向内部扩散，因此能防止钢表面继续氧化，薄膜起保护作用，特别是钢中含用，特别是钢中含Cr及及Ni的量大于的量大于13%20%时，几乎不产生氧时，几乎不产生氧化。化。钢的相对表面积（表面积与质量之比）愈大时，则氧化皮愈多。钢的相对表面积（表面积与质量之比）愈大时，则氧化皮愈多。本讲稿第十九页，共八十页 氧化皮的危害：氧化皮的危害：造成钢材的烧损造成钢材的烧损烧损量一般为烧损量一般为35%。(与火次有关，与火次有关，一次为一次为1.53.0%)模锻时氧化皮压入锻件内模锻时氧化皮压入锻件内降低表面质量和尺寸精度。降低表面质量和尺寸精度。氧化皮质脆而硬，加剧模具磨损。氧化皮质脆而硬，加剧模具磨损。氧化皮在炉底烧结成块，降低炉衬寿命。氧化皮在炉底烧结成块，降低炉衬寿命。因此要采取措施减少或消除金属的氧化烧损。因此要采取措施减少或消除金属的氧化烧损。本讲稿第二十页，共八十页防止措施：防止措施：在保证锻件质量的前提下，尽量采用快速加在保证锻件质量的前提下，尽量采用快速加热，缩短加热时间。热，缩短加热时间。在燃料完全燃烧的条件下，避免氧气过剩，并在燃料完全燃烧的条件下，避免氧气过剩，并减少燃料的水分。减少燃料的水分。采用少无氧化加热。采用少无氧化加热。本讲稿第二十一页，共八十页二、脱碳二、脱碳 钢在高温加热时，表层中的碳与炉气中的氧化性气体钢在高温加热时，表层中的碳与炉气中的氧化性气体（如（如O2、CO2、H2O等）及某些还原性气体（如等）及某些还原性气体（如H2）发）发生化学反应，生成甲烷或一氧化碳，造成生化学反应，生成甲烷或一氧化碳，造成钢料表层的含碳钢料表层的含碳量减少量减少，这种现象称为脱碳。，这种现象称为脱碳。Fe3CH2O3FeCOH2 Fe3CCO23Fe2CO 2Fe3CO26Fe2CO Fe3C2H23FeCH4本讲稿第二十二页，共八十页脱碳的脱碳的组织特征组织特征：脱碳层由于碳被氧化，反映在金相组织上是表层渗碳体脱碳层由于碳被氧化，反映在金相组织上是表层渗碳体(Fe3C)的数量减少；的数量减少；反映到化学成分上是表层的含碳量比内部明显降低。反映到化学成分上是表层的含碳量比内部明显降低。本讲稿第二十三页，共八十页影响钢脱碳的因素：与氧化类似影响钢脱碳的因素：与氧化类似炉气成分炉气成分脱碳能力最强的是脱碳能力最强的是H2O(汽汽)、其次是、其次是CO2和和O2，较弱是，较弱是H2。加热温度加热温度加热时间越长，脱碳越严重。加热时间越长，脱碳越严重。加热时间加热时间 时间越长，脱碳层越厚。时间越长，脱碳层越厚。化学成分化学成分是内因，钢中含碳量越高则脱碳倾向越大。是内因，钢中含碳量越高则脱碳倾向越大。W、Al、Co等元素使脱碳增加，而等元素使脱碳增加，而Cr、Mn能阻止脱碳，能阻止脱碳，Si、Ni和和V对钢的脱碳没有影响。对钢的脱碳没有影响。本讲稿第二十四页，共八十页脱碳使锻件：表面强度降低脱碳使锻件：表面强度降低耐磨性降低耐磨性降低疲劳强度降低疲劳强度降低可锻性降低，热处理时可能可锻性降低，热处理时可能发生开裂发生开裂本讲稿第二十五页，共八十页三、金属加热过程中的过热三、金属加热过程中的过热(over heat)当金属加热温度过高、加热时间过长而引起晶粒粗大的现当金属加热温度过高、加热时间过长而引起晶粒粗大的现象称为象称为“过热过热”。晶粒开始急剧长大的温度叫过热温度。晶粒开始急剧长大的温度叫过热温度。钢中元素如钢中元素如C、Mn、S、P等会增加其过热倾向，而等会增加其过热倾向，而Ti、W、V、N等元素可减小钢的过热倾向。等元素可减小钢的过热倾向。本讲稿第二十六页，共八十页 过热的危害过热的危害u碳钢出现魏氏组织；马氏体钢组织为粗针状，出现过多的碳钢出现魏氏组织；马氏体钢组织为粗针状，出现过多的铁素体；铁素体；u工模具钢出现萘状断口；合金结构钢、不锈钢、高速钢、弹簧钢、工模具钢出现萘状断口；合金结构钢、不锈钢、高速钢、弹簧钢、轴承钢等除奥氏体晶粒粗大外，还有异相质点沿晶界析出，呈连续轴承钢等除奥氏体晶粒粗大外，还有异相质点沿晶界析出，呈连续网状分布，使晶界变脆。网状分布，使晶界变脆。实践证明，过热对金属锻造过程影响并不大，甚至过热得较实践证明，过热对金属锻造过程影响并不大，甚至过热得较严重的钢材，只要没有过烧，在足够大的变形程度下，晶粒严重的钢材，只要没有过烧，在足够大的变形程度下，晶粒粗大的组织一般粗大的组织一般可以消除可以消除。本讲稿第二十七页，共八十页过热有不稳定过热和稳定过热：过热有不稳定过热和稳定过热：不稳定过热不稳定过热由于单纯原高温奥氏体晶粒粗大形成的过热。由于单纯原高温奥氏体晶粒粗大形成的过热。一般可用热处理的方法消除。（如正火、高温回火、扩散退火、快一般可用热处理的方法消除。（如正火、高温回火、扩散退火、快速升温、快速冷却）速升温、快速冷却）稳定过热稳定过热钢过热后，除原高温奥氏体晶粒粗大外，沿奥氏钢过热后，除原高温奥氏体晶粒粗大外，沿奥氏体晶界大量析出第二相（包括杂质元素组成的化合物如硫化物、碳体晶界大量析出第二相（包括杂质元素组成的化合物如硫化物、碳化物、氮化物等）质点或薄膜，这种过热用一般热处理方法很难消化物、氮化物等）质点或薄膜，这种过热用一般热处理方法很难消除，称为稳定过热。除，称为稳定过热。本讲稿第二十八页，共八十页 防止措施防止措施严格控制金属加热温度，缩短高温保温时间；严格控制金属加热温度，缩短高温保温时间；锻造时应保证足够大的变形量。锻造时应保证足够大的变形量。本讲稿第二十九页，共八十页四、过烧四、过烧(burning)当坯料加热到接近其熔化温度，并在此温度下当坯料加热到接近其熔化温度，并在此温度下保留时间过长时，将出现过烧现象。金属过烧保留时间过长时，将出现过烧现象。金属过烧后，后，晶粒粗大，晶粒粗大，晶界熔化，晶界熔化，形成氧化物，形成氧化物，出现裂纹。出现裂纹。部分钢的过烧温度见表部分钢的过烧温度见表3-2。本讲稿第三十页，共八十页 过烧的危害过烧的危害钢断面呈浅灰兰色，无金属光泽；表面粗糙；晶钢断面呈浅灰兰色，无金属光泽；表面粗糙；晶粒粗大类似豆腐渣状；一锻即裂。粒粗大类似豆腐渣状；一锻即裂。严重过烧的钢，只能报废回炉重新冶炼。严重过烧的钢，只能报废回炉重新冶炼。局部过烧的钢，当制造不太重要的零件时，可以将过烧部分切去，局部过烧的钢，当制造不太重要的零件时，可以将过烧部分切去，其余部分还可使用。其余部分还可使用。防止措施防止措施严格控制加热温度，特别要控制高温停留时间及出严格控制加热温度，特别要控制高温停留时间及出炉温度。炉温度。本讲稿第三十一页，共八十页五、金属加热时导热、导温性的变化五、金属加热时导热、导温性的变化1、导温性、导温性在加热在加热(或冷却或冷却)时温度在金属内部的传播能力。时温度在金属内部的传播能力。2、导温性对加热速度的影响、导温性对加热速度的影响导温性好，温度传播的速度快，坯料内的瞬时温差就导温性好，温度传播的速度快，坯料内的瞬时温差就小，因温差造成的膨胀差和温度应力也小，从而可允许较快的加热速度，坯料不致小，因温差造成的膨胀差和温度应力也小，从而可允许较快的加热速度，坯料不致受温度应力而破坏。反之，则可能使坯料开裂。受温度应力而破坏。反之，则可能使坯料开裂。3、导温性的变化、导温性的变化导温性用导温系数导温性用导温系数来表示：来表示：=/(C)式中式中导热系数导热系数(W/(m)；密度密度(kg/m3)；C比热容比热容(J/(kg)本讲稿第三十二页，共八十页金属的导热系数表示金属的导热能力，它金属的导热系数表示金属的导热能力，它取决于取决于金属的金属的成分、温度和结晶组织。在常温下合金钢的导热系数低于相成分、温度和结晶组织。在常温下合金钢的导热系数低于相应碳钢的导热系数；当合金元素的数且和份量增加时，其差应碳钢的导热系数；当合金元素的数且和份量增加时，其差别越悬殊。在升温时，碳钢的导热系数减小，合金钢的导热别越悬殊。在升温时，碳钢的导热系数减小，合金钢的导热系数略有增加，但高于系数略有增加，但高于900以后，各种钢的导热系数趋于一以后，各种钢的导热系数趋于一致。致。本讲稿第三十三页，共八十页由于金属的导热系数、密度和比热都与温度有关，因此金属的由于金属的导热系数、密度和比热都与温度有关，因此金属的导温系数也随温度而变。导温系数也随温度而变。与导热系数的变化有点相似，在高温阶段，各种钢的导温系数与导热系数的变化有点相似，在高温阶段，各种钢的导温系数趋于一致。尽管这时的导温性不好，但因这时的塑性好，加热趋于一致。尽管这时的导温性不好，但因这时的塑性好，加热引起的内应力并无危险，所以在引起的内应力并无危险，所以在高温阶段高温阶段，各类钢均可快速加，各类钢均可快速加热。热。本讲稿第三十四页，共八十页六、裂纹六、裂纹(crack)裂纹是由钢在加热过程中所产生的内应力引起的。裂纹是由钢在加热过程中所产生的内应力引起的。根据其形成的原因，有温度应力、组织应力、残余应力。根据其形成的原因，有温度应力、组织应力、残余应力。1.温度应力温度应力钢锭或钢材在加热过程中，由于表面温度高于中心温度，钢锭或钢材在加热过程中，由于表面温度高于中心温度，出现温差，从而必将引起外层与心部的膨胀不均匀，这样产生的内应出现温差，从而必将引起外层与心部的膨胀不均匀，这样产生的内应力称为温度应力（也称热应力），在温度高的表层部分，因其膨胀受力称为温度应力（也称热应力），在温度高的表层部分，因其膨胀受到中心部分约束，所引起的温度应力为压应力。而中心部分则相反，到中心部分约束，所引起的温度应力为压应力。而中心部分则相反，为拉应力。为拉应力。本讲稿第三十五页，共八十页温度应力的大小与材料性质、断面温差有关。而断面温差又取温度应力的大小与材料性质、断面温差有关。而断面温差又取决于金属的导热性、断面尺寸、加热速度和决于金属的导热性、断面尺寸、加热速度和温度头温度头（temperature head炉温与坯料表面温度之差）。炉温与坯料表面温度之差）。如果金属的导热性差、断面尺寸大、加热速度快、温度头如果金属的导热性差、断面尺寸大、加热速度快、温度头又大，则断面温差就大，因而温度应力也大。反之温度应又大，则断面温差就大，因而温度应力也大。反之温度应力则小。所以，在加热断面尺寸大的大型钢锭和导温性差力则小。所以，在加热断面尺寸大的大型钢锭和导温性差的高合金钢时，由于会产生较大的温度应力，低温阶段必的高合金钢时，由于会产生较大的温度应力，低温阶段必须缓慢加热。须缓慢加热。本讲稿第三十六页，共八十页2.组织应力组织应力具有固态相变的钢，在加热时表层先发生相变，具有固态相变的钢，在加热时表层先发生相变，内层后发生相变，相变前后组织的比容发生变化，这样引起内层后发生相变，相变前后组织的比容发生变化，这样引起的内应力为组织应力。的内应力为组织应力。在钢料加热过程中，组织应力没有危险性。在钢料加热过程中，组织应力没有危险性。防止方法：防止方法：低温装炉、分段加热低温装炉、分段加热 （装炉温度控制在（装炉温度控制在600以下，以较慢以下，以较慢 的速度加热到的速度加热到600左右，经一段左右，经一段 时间保温，使内外温度均匀后再快速时间保温，使内外温度均匀后再快速 加热到始锻温度）加热到始锻温度）本讲稿第三十七页，共八十页3-3 锻造温度范围的确定锻造温度范围的确定锻造温度范围锻造温度范围是指金属开始锻造温度（始锻温度）是指金属开始锻造温度（始锻温度）和结束锻造温度（终锻温度）之间的一段温度区和结束锻造温度（终锻温度）之间的一段温度区间。间。始锻温度终锻温度始锻温度终锻温度本讲稿第三十八页，共八十页确定锻造温度范围的确定锻造温度范围的基本原则基本原则是：是：要求金属在锻造温度范围内具有良好的塑性和较要求金属在锻造温度范围内具有良好的塑性和较低的变形抗力；能锻出优质锻件低的变形抗力；能锻出优质锻件(所需的组织性能所需的组织性能)；锻造温度范围尽可能宽些，以便减少加热火次，；锻造温度范围尽可能宽些，以便减少加热火次，提高生产效率。提高生产效率。本讲稿第三十九页，共八十页确定锻造温度范围的确定锻造温度范围的基本方法基本方法是：是：运用合金相图、塑性图、抗力图和再结晶图等，从塑运用合金相图、塑性图、抗力图和再结晶图等，从塑性、变形抗力和锻件的组织性能三个方面进行综合分性、变形抗力和锻件的组织性能三个方面进行综合分析，确定出合理的锻造温度范围，并在生产实践中进析，确定出合理的锻造温度范围，并在生产实践中进行验证和修改。行验证和修改。本讲稿第四十页，共八十页 合金相图合金相图能直观地表示出合金系中各种成分的合金在不同温度区间的相能直观地表示出合金系中各种成分的合金在不同温度区间的相组成情况。一般单相组织比多相的塑性好、抗力低，所以锻造时应尽可能使组成情况。一般单相组织比多相的塑性好、抗力低，所以锻造时应尽可能使合金处于单相状态。所以首先应按相图初选锻造温度范围。合金处于单相状态。所以首先应按相图初选锻造温度范围。从保证变形金属具有较高可锻性出发，运用从保证变形金属具有较高可锻性出发，运用塑性图和抗力图塑性图和抗力图来确来确定合适的锻造温度范围。定合适的锻造温度范围。再结晶图再结晶图表示变形温度、变形程度与锻件晶粒尺寸之间的关系，是通过表示变形温度、变形程度与锻件晶粒尺寸之间的关系，是通过试验测绘的。它对确定最后一道变形工序的锻造温度、变形程度具有重要的试验测绘的。它对确定最后一道变形工序的锻造温度、变形程度具有重要的参考价值。参考价值。本讲稿第四十一页，共八十页以以碳钢碳钢为例：为例：1)始锻温度的确定始锻温度的确定应保证钢不产生过热和应保证钢不产生过热和过烧。一般应低于铁碳平衡图的固相线过烧。一般应低于铁碳平衡图的固相线150250。始锻温度随含碳量的增加而降低。始锻温度随含碳量的增加而降低2)终锻温度的确定终锻温度的确定既要保证金属在终锻前具既要保证金属在终锻前具有足够的塑性，有足够的塑性，又要使锻件能获得良好的组织性又要使锻件能获得良好的组织性能。因此，能。因此，终锻温度应高于再结晶温度，终锻温度应高于再结晶温度，以保证以保证锻后再结晶完全，使锻件得到细晶粒的再结晶组织。锻后再结晶完全，使锻件得到细晶粒的再结晶组织。但过高会使锻件在冷却过程中晶粒继续长大，因而降但过高会使锻件在冷却过程中晶粒继续长大，因而降低机械性能，尤其是冲击韧性降低更多。因此，必须低机械性能，尤其是冲击韧性降低更多。因此，必须通过相图和再结晶图综合分析。通过铁碳相图可以分通过相图和再结晶图综合分析。通过铁碳相图可以分析碳钢的情况。析碳钢的情况。本讲稿第四十二页，共八十页3)从保证最小的从保证最小的变形抗力变形抗力出发，根据抗力图来确定合适的锻出发，根据抗力图来确定合适的锻造温度范围。如果设备吨位够，在保证锻件质量和塑性的前造温度范围。如果设备吨位够，在保证锻件质量和塑性的前提下，抗力一般不予考虑。然而对于耐热合金之类，由于温提下，抗力一般不予考虑。然而对于耐热合金之类，由于温度的稍许下降，会导致变形抗力的急剧增加，甚至硬化现象度的稍许下降，会导致变形抗力的急剧增加，甚至硬化现象严重，出现冷变形或混合变形机构，这时，在确定锻造温度严重，出现冷变形或混合变形机构，这时，在确定锻造温度范围时，变形抗力应予以足够的重视。范围时，变形抗力应予以足够的重视。本讲稿第四十三页，共八十页火火色色温度（温度（）火火色色温度（温度（）暗棕色暗棕色520580亮红色亮红色830880棕红色棕红色580650橘黄色橘黄色8801050暗红色暗红色650750橙黄色橙黄色10501150暗樱红色暗樱红色750780亮黄色亮黄色11501250樱桃色樱桃色780800白白色色12501320亮桃红色亮桃红色800830 实际生产中，随温度的不同，钢材对外表现出不同的颜色，锻实际生产中，随温度的不同，钢材对外表现出不同的颜色，锻造时即可以根据钢材的颜色大致估计其温度，称为造时即可以根据钢材的颜色大致估计其温度，称为“看火色看火色”表表3-6 钢材火色和温度钢材火色和温度本讲稿第四十四页，共八十页牌号牌号始锻温度始锻温度终锻温度终锻温度低碳钢低碳钢1250750451200 800T12A 115083065Mn1200830GCr15 1150850Cr12MoV1050900W18Cr4V1100900 在保证不出现加热缺陷的前提下，始锻温度应尽量取高一些；在在保证不出现加热缺陷的前提下，始锻温度应尽量取高一些；在保证塑性足够的前提下，终锻温度应尽可能定低一些保证塑性足够的前提下，终锻温度应尽可能定低一些 常用钢材的锻造温度范围常用钢材的锻造温度范围本讲稿第四十五页，共八十页3-4 金属加热规范金属加热规范加热规范加热规范，就是金属坯料从装炉开始到加热完了整个过程中，就是金属坯料从装炉开始到加热完了整个过程中，对炉温和坯料温度随时间变化的规定。对炉温和坯料温度随时间变化的规定。为了方便和清晰起见，加热规范是采用为了方便和清晰起见，加热规范是采用炉温炉温-时间时间的变化曲线的变化曲线（又称加热曲线或炉温曲线）来表示。（又称加热曲线或炉温曲线）来表示。如表如表3-4所示，加热规范有：一段、二段、三段、四段及五段之所示，加热规范有：一段、二段、三段、四段及五段之分。分。本讲稿第四十六页，共八十页一、制订加热规范的原则和方法一、制订加热规范的原则和方法 1内容内容：装料时的炉温、加热各个阶段炉子的升温速度、各个阶：装料时的炉温、加热各个阶段炉子的升温速度、各个阶段的加热（保温）时间和总的加热时间、最终的加热温度和允许的段的加热（保温）时间和总的加热时间、最终的加热温度和允许的加热不均匀性、允许的温度头等。加热不均匀性、允许的温度头等。2加热规范原则加热规范原则：要保证金属在加热过程中不产生裂纹、：要保证金属在加热过程中不产生裂纹、过热、过烧和熔化现象，加热要均匀，氧化脱碳少，加热时间过热、过烧和熔化现象，加热要均匀，氧化脱碳少，加热时间短和节省燃料等。即保证高产、优质、低消耗。短和节省燃料等。即保证高产、优质、低消耗。本讲稿第四十七页，共八十页3核心问题核心问题：确定金属在整个加热过程中不同阶段的：确定金属在整个加热过程中不同阶段的加热温度、加热速度和加热（保温）时间。加热温度、加热速度和加热（保温）时间。通常可将加热过程分为预热、加热、均热三个阶段。预热通常可将加热过程分为预热、加热、均热三个阶段。预热阶段主要是规定装料时的炉温；加热阶段关键是正确选择阶段主要是规定装料时的炉温；加热阶段关键是正确选择升温加热速度；均热阶段则应保证金属温度均匀，给定保升温加热速度；均热阶段则应保证金属温度均匀，给定保温时间。温时间。本讲稿第四十八页，共八十页（一）（一）装炉温度装炉温度避免温度应力过大引起裂纹。对导温性好避免温度应力过大引起裂纹。对导温性好和断面尺寸小的坯料，装料炉温不受限制。而相反，对于导和断面尺寸小的坯料，装料炉温不受限制。而相反，对于导温性较差和断面尺寸大的坯料就应该限制装料炉温了。因为温性较差和断面尺寸大的坯料就应该限制装料炉温了。因为在开始预热阶段，钢料温度低、塑性差，而且在在开始预热阶段，钢料温度低、塑性差，而且在200400范围内存在蓝脆区，对于冷钢锭和大型钢坯，装料炉温一般在范围内存在蓝脆区，对于冷钢锭和大型钢坯，装料炉温一般在350650，因为在这个温度范围内，塑性指标，因为在这个温度范围内，塑性指标、显著显著提高，而且还应在此温度进行保温；高锰钢易出现裂纹，提高，而且还应在此温度进行保温；高锰钢易出现裂纹，装料炉温为装料炉温为400450。本讲稿第四十九页，共八十页钢料断面最大允许温差钢料断面最大允许温差的计算公式见书上，的计算公式见书上，根据计算的根据计算的和金属坯料的热阻和金属坯料的热阻R/(坯料半径坯料半径/导热系数导热系数)对照图对照图3-13就可得到允许的装炉温度。图就可得到允许的装炉温度。图3-13中是理论计算值，并且此法结果偏低，可查图中是理论计算值，并且此法结果偏低，可查图3-14的的实践经验图表修正。实践经验图表修正。本讲稿第五十页，共八十页（二）（二）加热速度加热速度金属加热速度是指加热时温度升高的快慢。通常是指金属表面金属加热速度是指加热时温度升高的快慢。通常是指金属表面温度的升高的速度，单位温度的升高的速度，单位/h，也可用单位时间内加热的厚，也可用单位时间内加热的厚度来表示，也就是金属截面热透的程度，单位度来表示，也就是金属截面热透的程度，单位mm/min。本讲稿第五十一页，共八十页在加热规范中有两种不同的加热速度：在加热规范中有两种不同的加热速度：1、技术上可能的加热速度，、技术上可能的加热速度，2、金属允许的加热速度。、金属允许的加热速度。前者为炉子本身可能达到的加热速度。后者为保证坯料加前者为炉子本身可能达到的加热速度。后者为保证坯料加热质量及完整性所允许的加热速度，它取决于温度应力的热质量及完整性所允许的加热速度，它取决于温度应力的限制。而温度应力又与金属的导热性、力学性能、坯料尺限制。而温度应力又与金属的导热性、力学性能、坯料尺寸有关。寸有关。本讲稿第五十二页，共八十页对于导温性好、断面尺寸小的钢料，其允许的加热速度很大，对于导温性好、断面尺寸小的钢料，其允许的加热速度很大，即使炉子按最大可能的加热速度加热，也不可能达到坯料允许即使炉子按最大可能的加热速度加热，也不可能达到坯料允许的加热速度，因此，对于这类金属，如碳素钢和有色金属，其的加热速度，因此，对于这类金属，如碳素钢和有色金属，其断面小于断面小于200mm时，根本不用考虑允许的加热速度。时，根本不用考虑允许的加热速度。本讲稿第五十三页，共八十页然而相反，对于导温性差、断面尺寸大的钢料，允许的然而相反，对于导温性差、断面尺寸大的钢料，允许的加热速度小，在低温区应不能超过它自身允许的加热速加热速度小，在低温区应不能超过它自身允许的加热速度，当炉温超过度，当炉温超过700850 时，可按最大允许的加热速度时，可按最大允许的加热速度加热。加热。本讲稿第五十四页，共八十页怎么样来提高加热速度呢？怎么样来提高加热速度呢？影响加热速度的主要因素是炉温，确切地说是炉温影响加热速度的主要因素是炉温，确切地说是炉温和金属表面的温度差，即和金属表面的温度差，即温度头温度头。当炉温愈高，温差愈大，则金属得到的热量当炉温愈高，温差愈大，则金属得到的热量愈多，加热速度也就愈快。愈多，加热速度也就愈快。本讲稿第五十五页，共八十页因此，提高加热速度的措施有：因此，提高加热速度的措施有：提高炉温，采用快速加热；提高炉温，采用快速加热；合理布排炉内金属，尽可能多面加热；合理布排炉内金属，尽可能多面加热；合理设计炉膛尺寸，特别是炉膛高度，造成炉内强烈循合理设计炉膛尺寸，特别是炉膛高度，造成炉内强烈循环，增加辐射和对流换热等。环，增加辐射和对流换热等。生产中常采用生产中常采用提高温度头提高温度头的办法来提高加热速度。的办法来提高加热速度。本讲稿第五十六页，共八十页（三）（三）均热保温均热保温在五段加热中有三段保温平台，见图在五段加热中有三段保温平台，见图3-12：（：（）装炉温度下保）装炉温度下保温、（温、（）700800保温、（保温、（）锻造温度下的保温）锻造温度下的保温(均热保温通均热保温通常对此而言常对此而言)。这三段保温目的如下：。这三段保温目的如下：在装炉温度下保温（在装炉温度下保温（）目的是：因在）目的是：因在550650以前，钢的塑以前，钢的塑性较差，可能由于温度应力引起破裂。所以其目的是防止金属在加热过性较差，可能由于温度应力引起破裂。所以其目的是防止金属在加热过程中因温度应力而引起破坏。程中因温度应力而引起破坏。本讲稿第五十七页，共八十页（）段目的是为了减少第一期加热后钢料断面上的温差，从）段目的是为了减少第一期加热后钢料断面上的温差，从而减少钢料断面内的温度应力和使锻造温度下的保温时间不至而减少钢料断面内的温度应力和使锻造温度下的保温时间不至过长。对于几何尺寸较大的、具有相变的钢，更需要第二段保过长。对于几何尺寸较大的、具有相变的钢，更需要第二段保温。温。本讲稿第五十八页，共八十页（）段保温目的除了减少坯料断面上的温差以使温度）段保温目的除了减少坯料断面上的温差以使温度均匀外，还可借高温扩散作用使钢料组织均匀化