锻造工艺过程及模具设计第3章锻造的加热.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/8/9 Sunday,#,2026/11/4,锻造工艺过程及模具设计第3章锻造的加热,第三章 锻造的加热规范,锻前加热,提高金属塑性，降低变形抗力，使坯料易于变形并获得良好的锻件。,锻后冷却和热处理,获得良好的锻后组织，便于机械加工。,3.1 一般加热方法,加热方法：火焰加热和电加热,1、火焰加热,利用燃料燃烧时所产生 的热量，通过对流、辐射加热坯料。,燃料来源方便、加热炉修造容易、,加热费低、适应性强。,缺点：劳动条件差，加热速度慢，质量低、热效率低。,应用范围：大、中、小型坯料,。,2 电加热,利用电能转换热能来加热坯料。,1）电阻加热,电阻加热与火焰加热原理相同，根据发热元件的不同分为：,电阻炉加热、盐浴炉加热、接触电加热,电阻炉加热原理：利用电流通过炉内的电热体产生的能量，加热炉内的金属坯料。原理如图3.1。,电热体材料：铁铬铝合金 镍铬合金,碳化硅元件,二硅化钼,图3.1 电阻炉原理图,1电热体 2坯料 3变压器,盐浴炉加热原理：,电流通过炉内电极产生的热量把导电介质盐熔融，通过高温介质的对流与传导将埋入介质中的金属加热。,盐浴炉的分类：按照热源的位置分外热式和内热式。,盐浴炉加热的优点：,升温快、加热均匀，可以实现 金属坯料整体或局部的无氧化加热。,盐浴炉加热的缺点：,热效率低、辅助材料消耗大、劳动条件差。,图3.2 电极盐浴炉原理图,1电热体 2高温计 3电极,4熔盐 5坯料 6变压器,接触电加热的,加热原理：,以低电压（一般为215V）大电流直接通过金属坯料，由坯料自身电阻在通过电流时产生的热量加热金属坯料。原理如图3.3。,接触电加热的,优点:,速度快、烧损少、加热范围不受限制、热效率高、耗电少、成本低、设备简单、操作方便、使用于长坯料的整体或局部加热的优点。,接触电加热的,缺点：,对坯料的表面粗糙度和形状尺寸要求严格。加热温度的测量和控制也比较困难。,图3.3 接触电加热原理图,1变压器 2坯料 3触头,2）感应加热,坯料放入通过交变电流的螺旋线圈内，利用电磁感应发热直接加热。,速度快、质量好、温度易控制、烧损少、易实现机械化。适于精密成形的加热。,缺点：,投资费用高，加热的坯料尺寸范围窄、电能消耗大。,图3.4 感应电加热原理图,1感应器 2坯料 3电源,3.2 少、无氧化火焰加热,3.2.1 少、无氧化加热,减少金属的氧化烧损（使烧损量小于5）和脱碳，限制氧化皮厚度在0.050.06mm以下。,提高加热质量，提高锻件的尺寸精度和表面质量、提高模具寿命。,快速加热、少无氧化火焰加热和介质保护加热。,3.2.2 少、无氧化火焰加热,采用火焰加热的方法，通过控制燃烧炉气的性质，使钢料加热且少无氧化。这就称为少无氧化火焰加热。,火焰加热时，主要化学反应为：,Fe+O,2,2FeO,Fe,3,C+O,2,Fe+CO,2,Fe+CO,2,Fe+CO,Fe,3,C+CO,2,Fe+2CO,Fe+H,2,O,FeO+H,2,Fe,3,C+H2O,3Fe+CO+H,2,1,）反应是可逆反应，向右：氧化反应，向左：还原反应。,2）加热时，与空气消耗系数有关。,空气消耗系数：又称空气过剩系数，是燃料燃 烧实际供给的空气量与理论计算空气量之比。,3）空气充足时，炉气呈氧化性，空气不足时，炉 气呈还原性。,4）控制反应前后的生成物与反应物的浓度比。,炉气和被加热钢材的平衡图如下：,AB线：炉气为氧化性和还原性的分界线。,锻造加热炉（炉温10001300），降到0.5或更低时，才会形成加热炉正常工作条件的无氧化气体，这时的炉气成分应保持为,：,图3.5 炉气和被加热钢材的平衡图,3.3 钢加热时的缺陷及防止措施,氧化、脱碳；过热、过烧；裂纹、开裂。,3.3.1 氧化、脱碳、增碳,1、氧化,1）金属在高温加热时，表层中的离子和炉内的氧化性气体发生化学反应，使表面生成氧化物，这种现象叫氧化，也叫烧损。,2）氧化的实质是一种扩散过程。,3）影响氧化的因素,金属化学成分,炉气成分,加热温度,加热时间,4）减少或消除加热时金属氧化的措施：,快速加热,控制加热炉气的性质,炉内应保持不大的正压力,介质保护加热,2 脱碳,1）坯料在加热时，其表层的碳和炉气中的氧化性气体以及某些还原性气体发生化学反应，造成坯料表层的含碳量减少，这一表层常称脱碳层，这种缺陷既为脱碳。,2）影响脱碳的因素,炉气成分,坯料的化学成分,加热温度,加热时间,3）防止措施与防氧化的措施相同。,3 增碳,由于油和空气混合得不太好，燃烧不完全，在坯料表面形成还原性的渗碳气氛，因而产生增碳现象。,不良影响：锻件力学性能变坏，在机械加工时易打刀,。,3.3.2 过热和过烧,1、过热,当钢加热超过某一温度时，或在高温下停留时间过长，会 引起奥氏体晶粒迅速长大，这种现象称为过热。,a)锻造变形大时，晶粒粗大组织一般可以消除。,b)锻造变形小时，终锻温度高，锻后冷却时出现非正常组织。使强度和冲击韧性降低。,c)增加生产周期和费用。,防止措施：遵守加热规范，控制加热温度和加热时间。避免截 面尺寸相差大的坯料同炉加热。控制炉气的氧化性气体。,2 过烧,当坯料加热超过过热温度，并且在此温度下停留时间过长，不但引起奥氏体晶粒迅速长大，而且还有氧化性气体渗入晶界，这种缺陷称为过烧。,过烧时易形成易熔共晶氧化物，晶界局部熔化，使晶粒间结合完全破坏。,过烧是加热的致命缺陷，最后使坯料报废。如坯料只发生局部过烧，可将过烧的部分切除。,防止措施：遵守加热规范，控制加热温度以及限制坯料在高温时的停留时间。,3.3.3 裂纹,如果坯料在加热过程的某一温度下，拉应力超过它的强度极限，那么就要产生裂纹。,产生裂纹的原因：,温度应力；,组织应力；,残余应力。,3.4 锻造温度范围的确定,锻造温度范围是指坯料开始锻造时的温度和结束锻造时的温度之间的温度区间。,确定锻造温度范围的原则：,使金属具有良好塑性和较低的变形抗力；,保证锻件质量；,锻造温度范围尽可能宽。,图3.6,碳钢锻造温度范围图,确定锻造温度范围的方法：,以合金平衡相图为基础，参考塑性图、抗力图和再结晶图，由塑性、质量和变形抗力三个方面加以综合分析。,碳钢锻造温度范围的确定参见下图：,图3.6 碳钢的锻造温度范围,3.5 钢的加热规范,3.5.1 金属加热规范制定的原则和方法,1）加热规范,加热规范（加热制度）：炉温时间的变化曲线（有称加热曲线）表示加热规范。,加热规范类型：一段、二段、三段、四段、五段。参见下图：,图3.7 锻造加热类型,2）制定加热规范的基本原则,优质、高效、低消耗。,3）制定加热规范的方法,加热规范的要素：温度、速度和时间。,加热三阶段：预热、加热和保温。,（1）装料炉温,装料炉温决于温度应力，与钢的导温性和坯料的大小有关。,导温性好，尺寸小的钢材，装炉温度不受限制。而导温性差，尺寸大的钢材，则应规定装炉温度，并在该温度下保温一定时间。,钢锭加热的装炉温度及保温时间如下图所示：,图3.8 钢锭加热的装炉温度及保温时间,1组冷锭的装炉温度 2组冷锭的装炉温度 3组冷锭的装炉温度 4热锭的装炉温度,返回,（2）加热速度,加热速度用单位时间内金属表面温度升高的多少（/h）；或单位时间内金属截面热透的数值 mm,2,/min来表示。,最大可能的加热速度,坯料允许的加热速度 v,圆柱体坯料允许加热速度v,加热导热性好的坯料时，用最大的加热速度加热。,加热导热性差的坯料时，在低温阶段，以坯料允许的加热速度加热，升到高温后，按最大加热速度加热。,（3）保温时间,保温目的,（1）,装炉温度下的保温：防止金属在温度应力作用下破坏。特别是钢在200400 可能因蓝脆而发生破坏。,（2）700850 的保温：减少前段加热后钢料截面上的温差，从而减少钢料截面内的温度应力和使锻造温度下的保温时间不至过长。,（3）锻造温度下的保温：除减少钢料的截面温差使温度均匀外，还借助扩散作用，使组织均匀化。,3、终锻温度下的保温时间：最小保温时间和最大保温时间,最小保温时间是指能够使钢料温差达到规定的均匀程度所需的最短时间，可参考图3.9和3.10。,最大保温时间是不产生过热、过烧缺陷的最大允许保温时间。,图3.9 炉温为1200时钢料截面温度差与温度头、坯料直径的关系,图3.10 均热最小保温时间与温度头坯料直径的关系,m,坯料截面温度差/,/%,最小保温时间,坯料表面加热到始锻温度所需时间,（4）加热时间,加热时间为加热各个阶段保温时间和升温时间的总和。,两种确定加热时间的方法：,1）钢锭（或大型钢坯）的加热时间,冷钢锭（或钢坯）在室式炉中加热到1200所需要的加热时间可按下式计算：,2）钢材（或中小型钢坯）的加热时间,在连续炉或半连续炉中加热时间t可按下式确定：,采用室式炉加热时，加热时间的确定方法如下：,对于直径小于200mm的钢坯，碳素钢在室式炉中单个放置时的加热时间如下图所示：,图3.11 碳素钢在室式炉中单个放置时的加热时间,3.5.2钢锭、钢材与中小钢坯的加热规范,1）钢锭的加热规范,大型钢锭：多段加热规范,小型碳素钢和低合金钢锭：一段快速加热规范,高合金钢小锭：多段加热规范,热锭：以最大的加热速度进行加热。,2）钢材与小钢坯的加热规范：,直径小于150 200mm的碳素结构钢材和直径小于100mm的合金结构钢材，采用一段加热规范。,直径为200350mm的碳素结构钢坯（含碳量大于0.450.50%）和合金结构钢坯，采用三段加热规范。,对于导温性差、热敏感性强的高合金钢坯（如高铬钢、高速钢），则需采取低温装炉，装炉温度为400650,0,C。,3.6钢锻后的冷却,金属的锻后冷却：终锻温度室温,3.6.1锻件冷却时常见缺陷,1）裂纹：,锻件在冷却过程中，由于温度应力、组织应力以及残余应力之和超过材料的强度极限而形成裂纹。,（1）温度应力,初期：表层受拉应力、心部受压应力。,冷却后期：心部受拉应力，表层受压应力。,锻件冷却过程中轴向温度应力变化和分布示意图如下。,图3.12锻件冷却过程中轴向温度应力变化和分布示意图,a)软钢锻件 b)硬钢锻件 1-表面应力 2-心部应力,（2）组织应力,由于相变前后组织的比容不同而产生。,冷却时的组织应力：三向应力状态，且切向应力最大，这就是有时引起表面纵裂的原因之一。,（3）残余应力,2）网状碳化物,过共析钢、轴承钢、奥氏体不锈钢在锻后冷却时易产生网状碳化物。,3）白点,白点是一种内部缺陷。白点是在钢的纵向呈圆形或椭形的银白色斑点，合金钢白点的色泽光亮，碳素钢白点较暗。白点横向呈细小的裂纹。,白点呈纯脆性,。,3.6.2 锻件的冷却规范,1空冷：在空气中冷却，速度较快。,2坑（箱）冷：锻件锻后放到地坑或铁箱中封闭冷却，或埋入坑中砂子、石灰或炉渣内冷却。,3炉冷：锻件锻后直接装入炉中按一定的冷却规范缓慢冷却。,3.7 中小钢锻件的热处理,3.7.1退火,退火是将钢加热到一定的温度，保温一定的时间后缓慢冷却下来的热处理工艺方法。,退火的主要目的有：,1）降低硬度，改善切削加工性。,2）细化晶粒，改善力学性能。,3）消除内应力，防止锻件变形或开裂，稳定工件尺寸，减 少淬火时变形或开裂的倾向。,4）提高塑性、便于冷加工。,中小锻件常用的退火有完全退火（通常称退火）和球火退火（不完全退火）两种。,3.7.2 正火,正火是将亚共析钢加热到Ac,3,+(3050)、过共析钢加热到Ac,cm,+(3050),保温一定时间后在空气中冷却的热处理工艺方法。,正火的主要应用有：,1）作为普通结构钢锻件最终热处理，可细化晶粒、提高力学性能。,2）作为低中碳结构钢的预热处理，可获得合适的硬度，有利于切削加工。,3）可以抑制或消除过共析钢网状二次渗碳体的形成。,正火比退火生产周期短，节省能源，所以低碳钢多采用正火而不采用退火。,正火后锻件硬度较高，为了降低硬度还应进行高温回火,。,各种锻件热处理加热温度范围示意图如下：,图3.12 各种锻件热处理加热温度范围示意图,3.7.3淬火、回火、调质,淬火是将锻件加热到Ac,3,+(3050)（亚共析钢）或Ac,1,Acm之间（过共析钢），经保温后进行急冷。,回火是将锻件加热到Ac,1,以下某一温度，保温一定时间，然后空冷或快冷。,中碳钢或中碳低合金钢的调质处理：淬火高温回火。,调质处理主要用于各种重要的结构零件，特别是在交变载荷下工作的连杆、连接螺栓、齿轮及曲轴等,。,含碳量小于0.25的低碳钢锻件，可采用淬火、回火处理。,含碳量小于0.15的低碳钢锻件，可只进行淬火。,含碳量为0.150.25的低碳钢锻件，淬火后需进行低温回火。,对于高温合金及铝合金，为了提高塑性与韧性，需进行固溶处理；为了提高合金的强度和硬度，需进行时效处理。,3.7.4 锻件余热热处理,锻件余热热处理：锻后利用锻件自身热量直接进行热处理。,锻件余热热处理分为：,不等冷却直接装入热处理炉，再按常规热处理；,锻后立即进行热处理。,锻后立即进行热处理就叫作形变热处理。,形变热处理按变形与相变的先后顺序分类：,1）变形在相变前的形变热处理,2）变形在相变中的形变热处理,3）变形在相变后的形变热处理,形变热处理按锻压变形温度高低分类：,1）与热锻相结合的形变热处理,2）与温锻相结合的形变热处理,3）与冷锻相结合的形变热处理,3.8铝合金和铜合金的加热规范,1、铝合金分类,铸造铝合金和变形铝合金；,防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝。,2、铝合金的加热规范,a)锻造温度范围窄；,b)模锻过程的时间无需加以限制；,c)严格控制加热温度。,