锻后热处理工艺研讨

塑性体积成形及模具讨论课

锻后热处理工艺研讨锻件热处理锻件在机械加工前后，均须进行热处理。机械加工前的热处理称为锻件热处理（也称毛坯热处理或第一热处理）。机械加工后的热处理称为零件热处理（也称最终热处理或第二热处理）。通常热处理是在锻压车间进行的。一、锻后热处理的目的1、消除锻造应力，降低锻件的表面硬度，提高其切削加工性能，这是锻后热处理最直接和最初级的目的。2、调整与改善锻件在锻造过程中所形成的过热与粗大晶粒，降低大型锻件内部化学成分与金相组织的不均匀性，细化钢的奥氏体晶粒。3、调整锻件的硬度，以利于锻件进行切削加工。4、对于不再进行最终热处理的工件，通过锻后热处理还应使锻件达到产品技术条件所要求的各种性能指标。二、热处理方法1、中、小型锻件热处理中、小型锻件根据钢种和工艺要求不同，常采用退火、正火、淬火-回火、淬火-时效处理等。各种钢锻件热处理加热温度范围如图：1）退火锻件的退火工艺有完全退火、球化退火、低温退火和等温退火等，须根据锻件材质和变形情况来选定。a、完全退火：加热到Ac3线以上30℃~50℃，经保温后随炉冷却，得到近似平衡状态的组织。

处理目的：通过完全退火来细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度，便于切削加工，并为加工后零件的淬火作好组织准备。

适用范围：只适用于亚共析钢，不宜用于过共析钢，过共析钢缓冷后会析出网状二次渗碳体。b、球化退火：球化退火是使钢中碳化物球化而进行的退火工艺。将钢加热到Ac1以上20～30℃，保温一段时间，然后缓慢冷却到略低于Ar1的温度，并停留一段时间，使组织转变完成，得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织。处理目的：其主要目的在于降低硬度，改善切削加工性，并为以后淬火作好准备。这种工艺有利于塑性加工和切削加工，还能提高机械韧性。适用范围：球化退火主要适用于共析钢和过共析钢，如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢等。c、低温退火：钢件的加热温度低于Fe—C合金加热时共析转变温度(Ac1)的退火。处理目的：是使钢件软化，以便于切削加工或随后进行的冷变形。低温退火不发生组织转变，常用于合金钢坯消除内应力，降低硬度。

适用范围：常用来消除钢锭和锻连铸/轧钢材的内应力并降低硬度，防止引起开裂、轧件变形和便于表面清理。

d、等温退火：将锻件加热至Ac3线以上20℃~30℃，经保温一段时间，然后急冷到Ar1线以下某一温度再经适当保温，然后空冷或随炉冷却。处理目的：与完全退火或球化退火相同，但可以缩短退火时间，而且有利于除氢，消除白点。适用范围：适用于亚共析钢、共析钢、过共析钢等。2）正火对于亚共析钢、共析钢和过共析钢锻件，除了细化晶粒，消除内应力外，如果还要求增加强度和韧性，或为了消除网状碳化物，便应采用正火。正火是将工件加热至Ac3(Ac是指加热时自由铁素体全部转变为奥氏体的终了温度，一般是从727℃到912℃之间)或Acm(Acm是实际加热中过共析钢完全奥氏体化的临界温度线)以上30~50℃，保温一段时间后，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。对于形状复杂的重要锻件，在正火后还需进行高温回火（550-650℃）高温回火的目的在于消除正火冷却时产生的应力，提高韧性和塑性。其目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化。

3）淬火-回火淬火是为了获得不平衡的组织，以提高强度和硬度，将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）30~50℃或Ac1（过共析钢）以上温度，经保温后急冷。回火是为了消除淬火应力，获得较稳定的组织，将锻件加热到Ac1线以下某一温度，保温一段时间，然后空冷或快冷。含碳量小于0.25%的低碳钢锻件，为了改善钢的切削加工性能，有时也采用淬火-回火处理。对于含碳量小于0.15%的低碳钢锻件，只进行淬火。

4）淬火-时效高温合金和能够通过热处理强化的铝合金、镁合金，在锻后常采用淬火-时效处理。淬火是将合金加热到适当温度，经充分保温，是合金中某些组织生成物溶解到基体中去形成均匀的固溶体，然后迅速冷却，称为过饱和固溶体，又称为固溶处理。目的是改善合金的塑性和韧性，并为进一步时效处理做好组织准备。时效处理是把过饱和固溶体或经冷加工变形后的合金置于室温或加热至某一温度，保温一段时间，使事先溶解于基体内的物质，均匀弥散的析出。目的是提高合金的硬度和强度。2、大型锻件热处理由于大型锻件的断面尺寸大，生产过程复杂，其热处理应考虑以下特点：1）组织性能很不均匀；2）晶粒粗大；3）存在较大残余应力；4）加热速度很慢，在高温区域停留时间长；5）容易出现白点缺陷。因此，大型锻件热处理的任务除了消除应力，降低硬度以外，主要是预防锻件出现白点；其次是使锻件化学成分均匀化，调整与细化锻件组织。主要分为防止白点的热处理和细化晶粒的热处理（正火-回火）。A、防止白点的热处理通过去氢退火将锻件中的氢降低至钢的无白点或无氢脆极限氢含量以下，并使其分布均匀，以免除白点、氢脆的危害。对于绝大多数大型锻件来说，这是锻后热处理的首要任务。去氢退火的关键工艺参数是：（1）退火温度通常取650±10℃，因此温度与钢的高温回火相近。故经常将去氢退火与高温回火合并进行。（2）保温时间参看典型工艺曲线近似确定，或根据实际工件的定氢结果、经由锻件的扩氢计算确定。（3）冷却速度应足够缓慢，以防因在冷却过程中瞬时应力过大而出现白点，并尽量减少锻件中的残余应力。通常将冷却过程分为两个阶段：在400℃以上，因钢处于塑性较好、脆性较低的温度范围，冷速可稍快一点；在400℃以下，因钢已进入冷硬和脆性较大的温度范围，为了避免开裂和减少瞬时应力，应采用更为缓慢的冷却速度。B、细化晶粒的热处理对于大多数碳钢锻件和部分低合金钢锻件来说，锻后热处理就是它的最终热处理，应在锻后热处理工艺中安排一次正火和高温回火，以使其获得必要的组织与性能。关键工艺参数是：（1）加热速度在≈600℃以下，钢处于冷硬状态，要限制加热速度、或在适当的温度加1~2个等温台阶，以努力减少大型锻件中的内外温差和瞬时应力。在650~700℃，要加一个温度台阶，以尽量减少锻件在发生加热转变时的内外温差与转变的不同时性，可以减少工件中的应力与变形。在700℃以上，尤其在Ac1以上，应努力提高大型工件的加热速度，以加大钢在发生加热转变时的过热度，争取获得更好一些的晶粒细化效果。（2）过冷温度因钢种不同而不同，在可能的情况下，应尽可能低下，以使组织转变更为彻底和获得更细一些的组织。一般热装炉为350~400℃或400~450℃，冷装炉为300~450℃。下面是一个热装炉的正火-回火曲线：三、热处理炉热处理是机械工业生产中极其重要的工艺，该工艺所用的主要加热设备就是热处理炉。1、按热能来源分：电阻炉、燃料炉、煤气炉、油炉等。2、按工作温度分：低温炉（≤650℃）、中温炉（650℃~1000℃）、高温炉（＞1000℃）。3、按炉膛介质分：自然介质炉、浴炉、可控气氛炉、真空炉。4、按炉膛形式分：箱式炉，井式炉，罩式炉，贯通式炉，转底式炉，管式炉；5、按作业规程分：周期作业炉、连续作业炉、脉动式炉、连续式炉。6、按生产用途分：退火炉、淬火炉、回火炉、正火炉、渗碳炉、氮气炉。7、按电源频率分：工频炉、中频炉、高频炉。工业锻造用热处理炉1.间歇式炉：间歇式炉是周期性操作炉子，一般每天生产一班或二班，所以又称周期式炉：又因工件在炉内是进行分批加热的，所以又称分批式炉。其特点是：①炉内不分温度区段，在每一加热周期内炉温随时间变化；②工件放在炉内一定位置不动，直到加热完毕后取出；③装出料使用同一炉门，机械化程度低，多用人工或简单机械出料，只有少数大型室式炉配有专门装出料机械；④烟气离炉温度高，炉子热效率低。间歇式炉的种类和形式很多，锻压行业主要使用室式炉和台车式炉。（1）室式炉适用于单件小批量锻件的加热或热处理加热。一般单室炉适用于中小型自由锻的锻件加热；双室炉适用于锻件品种少、产量大，供模锻锤或自由锻锤胎模锻造时加热，或合金钢预热用；双门单室式炉适用于锻件较大，特别是钢锭开坯时加热。（2）台车式炉台车式炉又称车底式炉。适用于单件小批量生产的各种钢锭，钢坯的锻前加热或锻件热处理加热。由于炉底可以进出炉内，便于装出料，多与自由锻和水压机配用。2.连续式炉连续式炉主要用于生产批量较大、形状规则、生产节拍较快的工件锻前加热或锻后热处理加热，其主要特点如下：①由于是连续进出料，所以炉子生产率高；②炉内温度分段，在加热过程中每一区段的温度是不变化的；③烟气流动方向与工件移动方向相反，加热段烟气流经预热段对工件进行预热，从而降低了烟气离炉温度，提高了炉子热效率。连续式炉的种类很多，锻压行业主要使用贯通式炉、推杆式炉、环形炉、盘形炉和振底式炉等。（1）贯通式炉适用于批量生产的中小锻件锻前加热或锻后热处理加热，多于小型自由锻锤或模锻锤配用，采用人工装出料，机械化程度低，因此工件不能太重炉底不能太长。（2）推杆式炉适用于工件形状规则、长短适宜的各类工件的批量生产，如棒料，扁坯、方料等。由于生产率高，多与模锻锤配用。推杆式热处理炉通常把工件装在料盘内加热，对于这类炉子又称推盘式炉。广泛应用于耐磨钢球、小型机件的淬火，正火，退火，回火，渗碳和渗氮等热处理。（3）转底式炉是借炉底的旋转运动使放置在炉底上的工件在炉内由装料口移动到出料口的一种机械化炉型，有环形和盘形两种。多用于锻造和轧制前的工件加热和其后的热处理加热，适用于加热大批量生产的短棒料、方料、圆饼及各种异型坯等。3.局部加热炉局部加热炉主要用于锻件的局部加热，如棒料的端部加热等，其特点如下：①热工制度大多为周期式操作，炉内温度不分区段；②工件不全部放入炉内加热，而是加热工件的端部或某局部部位；③不设置炉门，工件放入处炉口敞开，微正压操作；④烟气离炉温度高，热效率低⑤炉子机械化程度低局部加热炉有手锻炉，开隙式炉和网眼炉等。四、热处理时出现的问题及注意事项1、变形机器零件在热处理过程中由于组织应力和热应力的作用要产生变形，大型锻件热处理后，由于其截面尺寸较大，更不可避免的要产生很大的外形尺寸的变化。这种变化往往可超过锻件的锻造余量或粗加工余量，所以必须防止。影响热处理时零件弯曲的原因：（1）零件在炉内的装置方法（2）加热的温度、加热方法及受热的均匀情况（3）冷却剂的特性（4）冷却的方法（5）冷却的均匀程度下面详细说明：零件在炉床上的放置是影响大型锻件热处理后弯曲的主要关键。因此，在装炉时零件，尤其是曲拐轴类，必须衬垫得很结实，同时要很稳定，防止在热状态下因零件自重而导致变形。在台车炉床上垫零件的垫铁，可以采用不同尺寸的方铁和楔形铁。加热过程中使锻件不产生变形的关键在于如何保证锻件受热均匀。在台车炉处理时可以依靠调整每个燃烧咀的煤气量及空气量。另外还可以调整总阀门以控制加热速度，使炉膛保持正压，以保证锻件加热均匀。冷却时也和加热一样，不均匀的冷却同样会造成零件的变形。在正火或回火冷却过程中应避免过堂风，以防止锻件迎风面冷却过快，产生挠曲。在淬火冷却过程中，为了减小变形，对长形零件最好采用井式炉加热与垂直状态淬火。2、零件的开裂热处理零件的开裂是由于热处理中的热应力和组织应力所造成的。在锻件中引起大的应力与应力集中的主要原因是：热处理工艺的规定与执行不正确以及零件的内在缺陷（包括夹杂物、偏析、未锻合的微小气孔、锻造重皮以及白点等）。由于应力与零件内部缺陷二者的综合作用，导致应力的集中，从而超过了锻件的断裂强度而产生开裂。另外在淬火冷却时，油冷时间过长，终冷温度过低，