第三章鍛造的加熱規范鍛前加熱 提高金屬塑性，降低變形抗力，使坯料易于變形并獲得良好的鍛件。鍛后冷卻和熱處理獲得良好的鍛后組織，便于機械加工。13.1一般加熱方法

加熱方法：火焰加熱和電加熱1、火焰加熱利用燃料燃燒時所產生的熱量，通過對流、輻射加熱坯料。燃料來源方便、加熱爐修造容易、加熱費低、適應性強。缺點：勞動條件差，加熱速度慢，質量低、熱效率低。應用范圍：大、中、小型坯料。23

2電加熱利用電能轉換熱能來加熱坯料。電阻加熱和感應加熱。1）電阻加熱電阻加熱與火焰加熱原理相同，根據發熱元件的不同分為：

電阻爐加熱、鹽浴爐加熱、接觸電加熱。4圖3.1電阻爐原理圖1－電熱體2－坯料3－變壓器電阻爐加熱原理：利用電流通過爐內的電熱體產生的能量，加熱爐內的金屬坯料。原理如圖3.1。電熱體材料：鐵鉻鋁合金、鎳鉻合金。碳化硅、二硅化鉬電熱元件。5圖3.2電極鹽浴爐原理圖

1－電熱體2－高溫計3電極

4－熔鹽5－坯料6－變壓器鹽浴爐加熱原理：電流通過爐內電極產生的熱量把導電介質——鹽熔融，通過高溫介質的對流與傳導將埋入介質中的金屬加熱。鹽浴爐功能用于工件的淬火、正火加熱、局部加熱淬火、分級淬火和等溫淬火、回火等。

鹽浴爐加熱的優點：升溫快、加熱均勻，加熱無氧化。鹽浴爐加熱的缺點：熱效率低、輔助材料消耗大、勞動條件差。6圖3.3接觸電加熱原理圖1－變壓器2－坯料3－觸頭●接觸電加熱的加熱原理：以低電壓（一般為2～15V）大電流直接通過金屬坯料，由坯料自身電阻在通過電流時產生的熱量加熱金屬坯料。原理如圖3.3。●接觸電加熱的優點:

速度快、燒損少、加熱范圍不受限制、熱效率高、耗電少、成本低、設備簡單、操作方便、使用于長坯料的整體或局部加熱的優點。●接觸電加熱的缺點：對坯料的表面粗糙度和形狀尺寸要求嚴格。加熱溫度的測量和控制也比較困難。7

圖3.4感應電加熱原理圖1－感應器2－坯料3－電源2）感應加熱坯料放入通過交變電流的螺旋線圈內，利用電磁感應發熱直接加熱。速度快、質量好、溫度易控制、燒損少、易實現機械化。適于精密成形的加熱。投資費用高，加熱的坯料尺寸范圍窄、電能消耗大。83.2少、無氧化火焰加熱減少金屬的氧化燒損（使燒損量小于0.5％）和脫碳，限制氧化皮厚度在0.05～0.06mm以下。提高加熱質量，提高鍛件的尺寸精度和表面質量、提高模具壽命。實現少無氧化加熱：快速加熱、保護氣體加熱等。電加熱時實現少無氧化加熱的最有效方法。火焰加熱通過控制爐內氣氛，減少氧化；惰性氣體保護也是實現少無氧化加熱的有效方法。教材中介紹了火焰加熱條件下的爐內氣氛控制實現少無氧化加熱。9少、無氧化火焰加熱方法通過控制燃燒爐氣的性質，使鋼料加熱且少無氧化。這就稱為少無氧化火焰加熱。火焰加熱時，主要化學反應為：

Fe+O2→2FeOFe3C+O2→Fe+CO2Fe+CO2→Fe+COFe3C+CO2→Fe+2COFe+H2O→FeO+H2Fe3C+H2O→3Fe+CO+H2101）反應是可逆反應，向右：氧化反應，向左：還原反應。2）加熱時，與空氣消耗系數有關。空氣消耗系數α

：又稱空氣過剩系數，是燃料燃燒時實際供給的空氣量與理論計算空氣量之比。3）空氣充足時，爐氣呈氧化性，空氣不足時，爐氣呈還原性。4）控制反應前后的生成物與反應物的濃度比。

爐氣和被加熱鋼材的平衡圖如下：（圖3.5）

11圖3.5爐氣和被加熱鋼材的平衡圖

AB線：爐氣為氧化性和還原性的分界線。鍛造加熱爐（爐溫1000～1300℃），α降到0.5或更低時，才會形成加熱爐正常工作條件的無氧化氣體，這時的爐氣成分應保持為：123.3鋼加熱時的缺陷及防止措施氧化、脫碳；過熱、過燒；裂紋、開裂。133.3.1氧化、脫碳、增碳1、氧化1）金屬在高溫加熱時，表層中的離子和爐內的氧化性氣體發生化學反應，使表面生成氧化物，這種現象叫氧化，也叫燒損。2）影響氧化的因素 金屬化學成分、爐氣成分、加熱溫度、加熱時間。3）減少或消除加熱時金屬氧化的措施：快速加熱、控制加熱爐氣的性質、爐內應保持不大的正壓力、介質保護加熱。142脫碳坯料在加熱時，其表層的碳和爐氣中的氧化性氣體以及某些還原性氣體發生化學反應，造成坯料表層的含碳量減少，這一表層常稱脫碳層，這種缺陷既為脫碳。3增碳

由于油和空氣混合得不太好，燃燒不完全，在坯料表面形成還原性的滲碳氣氛，因而產生增碳現象。不良影響：鍛件力學性能變壞，在機械加工時易打刀。153.3.2過熱和過燒1、過熱當鋼加熱超過某一溫度時，或在高溫下停留時間過長，會引起奧氏體晶粒迅速長大，這種現象稱為過熱。

a)鍛造變形大時，晶粒粗大組織一般可以消除。

b)鍛造變形小時，終鍛溫度高，鍛后冷卻時出現非正常組織。使強度和沖擊韌性降低。

c)增加生產周期和費用。防止措施：遵守加熱規范，控制加熱溫度和加熱時間。避免截面尺寸相差大的坯料同爐加熱。162過燒當坯料加熱超過過熱溫度，并且在此溫度下停留時間過長，不但引起奧氏體晶粒迅速長大，而且還有氧化性氣體滲入晶界，這種缺陷稱為過燒。過燒時易形成易熔共晶氧化物，晶界局部熔化，使晶粒間結合完全破壞。過燒是加熱的致命缺陷，最后使坯料報廢。如坯料只發生局部過燒，可將過燒的部分切除。防止措施：遵守加熱規范，控制加熱溫度以及限制坯料在高溫時的停留時間。173.3.3裂紋如果坯料在加熱過程的某一溫度下，拉應力超過它的強度極限，那么就要產生裂紋。產生裂紋的應力有：溫度應力；組織應力；殘余應力。183.4鍛造溫度范圍的確定鍛造溫度范圍是指坯料開始鍛造時的溫度和結束鍛造時的溫度之間的溫度區間。

確定鍛造溫度范圍的原則： 使金屬具有良好塑性和較低的變形抗力；保證鍛件質量； 鍛造溫度范圍盡可能寬。

確定鍛造溫度范圍的方法：以合金平衡相圖為基礎，參考塑性圖、抗力圖和再結晶圖，由塑性、質量和變形抗力三個方面加以綜合分析。碳鋼鍛造溫度范圍的確定參見下圖：19圖3.6碳鋼的鍛造溫度范圍

20表3-5常用鋼的鍛造溫度范圍鋼種始鍛溫度/℃終鍛溫度/℃鍛造溫度范圍/℃普通碳素鋼1280700580優質碳素鋼1200800400碳素工具鋼1100770330合金結構鋼1200800400合金工具鋼1100820280高速工具鋼1120900220耐熱鋼1120850270彈簧鋼1120820300軸承鋼1080800280213.5鋼的加熱規范3.5.1金屬加熱規范制定的原則和方法加熱規范加熱規范（加熱制度）：溫度（爐溫）－時間的變化曲線（有稱加熱曲線）表示加熱規范。加熱規范類型：一段、二段、三段、四段、五段。參見下圖：（圖3.7）

制定加熱規范的基本原則優質、高效、低消耗。制定加熱規范的方法加熱規范的要素：溫度、速度和時間。加熱三階段：預熱、加熱和保溫。22圖3.7鍛造加熱類型23（1）裝料爐溫裝料爐溫決于溫度應力，與鋼的導熱性和坯料的大小有關。導熱性好，尺寸小的鋼材，裝爐溫度不受限制。導熱性差，尺寸大的鋼材，則應規定裝爐溫度，并在該溫度下保溫一定時間。

鋼錠加熱的裝爐溫度及保溫時間如下圖所示：（圖3.8）24圖3.8鋼錠加熱的裝爐溫度及保溫時間1-Ⅰ組冷錠的裝爐溫度2-Ⅱ組冷錠的裝爐溫度3-Ⅲ組冷錠的裝爐溫度4-熱錠的裝爐溫度5-裝爐溫度下的保溫時間返回25加熱速度用單位時間內金屬表面溫度升高的多少（℃/h）；或單位時間內金屬截面熱透的數值mm2/min來表示。

最大可能的加熱速度與加熱爐相關。

圓柱體坯料允許加熱速度[v]

與材料特性關。加熱導熱性好的坯料時，用最大的加熱速度加熱。加熱導熱性差的坯料時，在低溫階段，以坯料允許的加熱速度加熱，升到高溫后，按最大加熱速度加熱。

（2）加熱速度26（3）保溫時間坯料溫度均勻，保證加熱質量。

1）裝爐溫度下的保溫：防止金屬在溫度應力作用下破壞。特別是鋼在200～400℃可能因藍脆而發生破壞。

2）700～850℃的保溫：減少前段加熱后鋼料截面上的溫差，從而減少鋼料截面內的溫度應力和使鍛造溫度下的保溫時間不至過長。

3）鍛造溫度下的保溫：除減少鋼料的截面溫差使溫度均勻外，還借助擴散作用，使組織均勻化。27

4）最小保溫時間和最大保溫時間。最小保溫時間是指能夠使鋼料溫差達到規定的均勻程度所需的最短時間，可參考圖3.9和3.10。碳鋼，坯料溫差控制在50～100℃。合金鋼，坯料溫差控制在40℃左右。

最大保溫時間是不產生過熱、過燒缺陷的最大允許保溫時間。28圖3.9爐溫為1200℃時鋼料截面溫度差與溫度頭、坯料直徑的關系圖3.10均熱最小保溫時間與溫度頭坯料直徑的關系m坯料截面溫度差/℃/%最小保溫時間坯料表面加熱到始鍛溫度所需時間29（4）加熱時間加熱時間為加熱各個階段保溫時間和升溫時間的總和。兩種確定加熱時間的方法：鋼材（或中小型鋼坯）的加熱時間在連續爐或半連續爐中加熱時間t可按下式確定：式中，0為與材料有關的系數。D為鋼材外徑或變長。采用室式爐加熱時，對于直徑小于200mm的鋼坯，碳素鋼在室式爐中單個放置時的加熱時間如下圖所示：30圖3.11碳素鋼在室式爐中單個放置時的加熱時間311）鋼錠的加熱規范大型鋼錠：多段加熱規范小型碳素鋼和低合金鋼錠：一段快速加熱規范高合金鋼小錠：多段加熱規范熱錠：以最大的加熱速度進行加熱。2）鋼材與小鋼坯的加熱規范：直徑小于150～200mm的碳素結構鋼材和直徑小于100mm的合金結構鋼材，采用一段加熱規范。直徑為200～350mm的碳素結構鋼坯（含碳量大于0.45～0.50%）和合金結構鋼坯，采用三段加熱規范。對于導溫性差、熱敏感性強的高合金鋼坯（如高鉻鋼、高速鋼），則需采取低溫裝爐，裝爐溫度為400～650℃。3.5.2鋼錠、鋼材與中小鋼坯的加熱規范323.6鋼鍛后的冷卻金屬鍛后冷卻是指鍛件鍛后從終鍛溫度冷卻到室溫的過程。鍛后冷卻的重要性并不亞于鍛前加熱和鍛造成形過程，有時坯料采用正常的加熱規范和適當的鍛造，雖然可以保證獲得高質量鍛件，但如果冷卻方法選擇不當，鍛件還有可能因產生缺陷而報廢，也可能延長生產周期，影響生產率。金屬的鍛后冷卻：終鍛溫度→室溫。3.6.1鍛件冷卻時常見缺陷

裂紋、網狀碳化物、白點331、裂紋鍛件在冷卻過程中，由于溫度應力、組織應力以及殘余應力之和超過材料的強度極限而形成裂紋。（1）溫度應力初期：表層受拉應力、心部受壓應力。冷卻后期：心部受拉應力，表層受壓應力。鍛件冷卻過程中徑向溫度應力變化和分布如圖3.12所示（下頁）。（2）組織應力由于相變前后組織的比容不同而產生。冷卻時的組織應力：三向應力狀態，且切向應力最大，這就是有時引起表面縱裂的原因之一。（3）殘余應力坯料在鍛造過程中，由于變形不均勻和加工硬化所引起的內應力。34圖3.12鍛件冷卻過程中徑向溫度應力變化和分布示意圖

1-表面應力2-心部應力352、網狀碳化物過共析鋼、軸承鋼、奧氏體不銹鋼在鍛后冷卻過程中，二次滲碳體析出沿奧氏體晶界成網狀分布。3、白點白點是一種內部缺陷。白點是在鋼的縱向呈圓形或橢形的銀白色斑點，合金鋼白點的色澤光亮，碳素鋼白點較暗。白點橫向呈細小的裂紋。白點呈純脆性。36冷卻方式主要有一下幾種。1．空冷：在空氣中冷卻，速度較快。2．坑（箱）冷：鍛件鍛后放到地坑或鐵箱中封閉冷卻，或埋入坑中砂子、石灰或爐渣內冷卻。3．爐冷：鍛件鍛后直接裝入爐中按一定的冷卻規范緩慢冷卻。3.6.2鍛件的冷卻規范373.7中小鋼鍛件的熱處理鍛件在機械加工前，一般都要進行熱處理。通常在鍛壓車間進行。也叫鍛后熱處理，或鍛件熱處理或毛坯熱處理或第一熱處理。期作用是消除應力，改善組織，減小變形，利于加工。通常有退火，正火，調質，淬火等。38退火是將鋼加熱到一定的溫度，保溫一定的時間后緩慢冷卻下來的熱處理工藝方法。退火的主要目的有：

1）降低硬度，改善切削加工性。

2）細化晶粒，改善力學性能。

3）消除內應力，防止鍛件變形或開裂，穩定工件尺寸，減少淬火時變形或開裂的傾向。

4）提高塑性、便于冷加工。中小鍛件常用的退火有完全退火（通常稱退火）和球化退火（不完全退火）兩種。3.7.1退火39正火是將亞共析鋼加熱到Ac3+(30～50)℃、過共析鋼加熱到Accm+(30～50)℃,保溫一定時間后在空氣中冷卻的熱處理工藝方法。正火的主要應用有：

1）作為普通結構鋼鍛件最終熱處理，可細化晶粒、提高力學性能。

2）作為低中碳結構鋼的預熱處理，合適的硬度，有利加工。

3）可以抑制或消除過共析鋼網狀二次滲碳體的形成。正火比退火生產周期短，節省能源，所以低碳鋼多采用正火。

各種鍛件熱處理加熱溫度范圍示意圖如下：3.7.2正火40圖3.12各種鍛件熱處理加熱溫度范圍示意圖41

淬火是將鍛件加熱到Ac3+(30～50)℃（亞共析鋼）或Ac1～Acm之間（過共析鋼），經保溫后進行急冷。回火是將鍛件加熱到Ac1以下某一溫度，保溫一定時間，然后空冷或快冷。中碳鋼或中碳低合金鋼的調質處理：淬火＋高溫回火。調質處理主要用于各種重要的結構零件，特別是在交變載荷下工作的連桿、連接螺栓、齒輪及曲軸等。對于高溫合金及鋁合金