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体型较大的锻件淬火、正火、冷却等系列操作

 新闻资讯     |      2021-08-12

       体型较大的锻件淬火、正火、冷却等热处理工艺,从而达到技术条件所要求的性能,或为后续热处理过程准备良好的组织条件。

大锻件淬火、正火时的加热

大型锻件处理.jpg

1.1 加热温度

为使负偏析区在加热时达到淬火或正火温度,大锻件的淬火或正火温度应取规定温度的上限。对于碳偏析比较严重的锻件,可根据不同锭节的实际化学成分,采用不同的加热温度。

1.2 加热方式

大锻件加热时,为了避免过大的热应力,应该控制装炉温度和加热速度。截面大、合金元素含量高的重要锻件,多采用阶梯式加热。即在但温装炉后按规定速度加热,在升温中间进行一次或两次中间保温。有些锻件采用较低的加热速度而不进行中间保温。只有截面尺寸较小、形状简单、原始残留应力较小的碳钢和低合金结构钢锻件,才允许高温装炉、不限制加热速度或在低温装炉后采用较大功率升温。

大锻件正火.jpg

       高温装炉直接加热时,锻件中不同部位的升温曲线。可以看出,在这种情况下锻件表面与中心的较大温差很大,出现较大温差时工件心表部温度低于200℃, 钢仍处于冷硬状态,易因巨大的温差应力而产生内部裂纹。

       阶梯式加热时锻件中不同部位的升温曲线,如图2 所示。可以看出,由于采取了中间保温,在加热中出现了两次较大温差。第一个出现在心部温度为≈350℃时,数值仅为图1 7-13曲线的1/3。出现第二个较大温差时,锻件心部温度已升高至≈700°C, 钢已处于塑性状态,无开裂危险。当锻件尺寸很大时,加热中第一个较大温差的数值仍会较大,这时要在≈400°℃等温一段时间,待工件表面和心部都升至较高温度时再继续加热。这样可以减小第一个较大温差的数值和使其在更高些的温度范围出现。

1.3 升温速度

锻件在加热过程的低温阶段,升温速度要控制在30~70°C/h 。经中间保温后,整个截面上塑性较好,升温速度可以快些,一般取50~100°℃/h 。

1.4 均温与保温

当加热炉主要测温仪表(一般台车式炉指炉顶测温仪表,井式炉指各段炉壁仪表)指示炉温到达规定温度时,即为均温开始,至目测工件火色均匀并与炉墙颜色一致时为均温终了。为使工件心部达到规定温度、完成奥氏体转变并使其均匀化,锻件在均温后尚需进行保温。保温时间根据工件有效截面确定。对碳素结构钢

与低合金结构钢锻件,保温时间按0.6~0.8h/100mm计算。对中、高合金钢锻件,按0. 8~1h/100mm计算。各种形状锻件有效截面计算方法。

2 大锻件淬火、正火时的冷却

       体型较大的锻件淬火、正火、冷却过程的工艺参数中较关键的是选择恰当的冷却速度和终冷温度。对于性能要求很高的高合金钢大锻件,需要选择能够保证工件心部奥氏体完全躲过珠光体和上贝氏体转变的冷却速度,以使锻件沿整个截面获得下贝氏体或下贝氏体加马氏体组织。终冷温度的选择主要取决于锻件的冶金质量。对于夹杂物、气体含量都很少,化学成分十分均匀的优质电站大锻件终冷温度可选择为40~60°C或60~80℃。对于冶金质量较差的锻件,终冷温度可提高至200~250℃。在终冷温度下的保持时间,应以使锻件心部完成所规定的组织转变为准。

       对于大型碳钢和低合金钢锻件,冷却后获得下贝氏体的要求有时难于达到。这时应将心部奥氏体过冷到防止出现粗大珠光体和铁素体的温度,对低合金钢锻件终冷温度可选为400~450℃; 碳钢件可选为450~500°C。

       对照相应锻件的冷却曲线和所用钢种的过冷奥氏体连续转变曲线,可获得锻件尺寸、冷却速度、冷却时间、终冷温度以及转变产物与性能水平等方面的完整资料。为使锻件心部无珠光体,应保证锻件心部冷却速度。

       不小于υ1终冷温度不高于450°C。如要使锻件心部获得马氏体组织,需要保证锻件心部冷却速度不低于υ2, 且应过冷到300℃以下。在确定终冷保持时间时,需要充分考虑组织转变热效应的影响。

 冷却方式及冷却曲线

       体型大锻件常用的冷却方式有:静止空气冷却、鼓风冷却、喷雾冷却、油冷、水冷、喷水冷却及水淬油冷、空-油冷却(延迟淬冷)、水-油双介质淬火、油-空双介质淬火等。这些冷却方式并不能完全满足大锻件冷却的要求,还有待于寻求新的淬火介质和冷却方法。对形状复杂、截面变化较大的工件,为使冷却均匀和减小淬火应力,有时采用工件在炉内稍降低温度后再出炉淬火的方法。

1. 水冷 

       水冷工件经高温回火后的强度、塑性、韧性和脆性转变温度等力学性能都比油冷好(特别是心部性能)。因此,在不引起缺陷扩大的前提下,应采用水冷。但是这时工件截面上的较大温差可达750~800°℃, 如锻件冶金质量不好,巨大的内应力会使工件产生裂纹甚至断裂。图3~图6是锻件的不同截面水冷曲线。

在判断锻件在淬火冷却中能否采用水冷时,首先应考虑锻件化学成分和基础性能的影响,按式(1) 计算出锻件的碳当量CE。

当计算结果(成分为质量分数)为:

1) 锻件中正偏析区的碳当量CE≤0.75%,正偏析区的碳含量≤0.31%时,锻件可以毫无危险地采用水淬。

2) 锻件中正偏析区的碳当量CE=0.75%~0.88%, 正偏析区的碳含量=0.32%~0.36%时,锻件可以进行水淬,但须特别小心。

3) 锻件中正偏析区的碳当量CE≥0. 88%,正偏析区的碳含量≥0.36%时,若无特殊的指示与指导,禁止水淬。

随着大锻件用钢碳含量的逐步降低和电渣重熔、钢包精炼、真空除气、真空脱氧等先进冶炼工艺的采用,大锻件的冶金质量有了明显提高,承受较大淬火应力而不引起开裂的可能性有所增加,应当扩大急冷和深冷的应用。

2. 油冷

       油冷时锻件中较大温差比水冷小,一般不超过500℃。不同截面锻件的油冷冷却曲线。采用空-油冷却(延迟淬冷)可显著降低工件内外温差。

3. 空冷 

       空冷或鼓风冷的冷却能力比水冷、油冷小得多,故在一定程度内可避免锻件内部缺陷的扩大,但空冷时锻件的性能潜力不能充分发挥。

4. 水淬油冷

5. 双介质淬火 

       水-空-水、油-空-油双介质淬火方式,可使心部热量向外层传播,以减少锻件截面上的温差,使冷却比较均匀,降低淬火应力。水-空双介质淬冷曲线。工件在空气中预冷 12min 后,随即水冷 2min、空冷3min 再交替冷却至35min, 然后空冷。

2.2 冷却时间的确定

       冷却时间是指工件在冷却介质中停留的时间。冷却时间过短,会达不到要求的性能,而冷却时间过长、终冷温度过低,会提升淬裂的危险性。所以,确定适当的冷却时间及终冷温度,是大锻件热处理工艺中的一个重要问题。

       在生产中的淬火冷却主要是控制冷却时间,而工件表面的终冷温度仅作为参考。冷却时间一般根据实测的各种冷却曲线,理论计算以及长期生产经验来确定。需要注意,即使相同截面的工件,在相同的淬火介质及冷却时间内冷却,也会由冷却设备容量、淬火介质的温度、介质循环条件及工件在介质中的移动方式等情况不同,造成工件心部温度的显著差别。所以,在规定冷却时间的同时,还要严格控制冷却条件。不同直径钢件在水冷、油冷、空冷时,心部冷却到450℃和300°C 时所需的冷却时间(淬火温度取为860°C, 淬火介质温度取为40℃) , 曲线是由实测数据整理而得到的。表3 列出一些具体冷却工艺可供参考,生产中根据工件形状、材质及生产条件,在制订具体冷却工艺时,作适当调整。

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