古天佑 第一热处理讲课稿103DOCWord文档格式.docx
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【例】以碳钢为例,计算在空气炉中加热,当炉温为800℃时,大型锻件的界限尺寸是多少?
【解】查资料,λ=40Kcal/m2×
α=80Kcal/m2×
℃,
将λ、α值代入(4)式
得,R>λ/5α=40/(5×
80)=o.1m=100mm
即,对于碳钢来说,直径大于200mm的锻件便是大型锻件。
由(4)式可知,●合金钢由于导热系数λ比碳钢小,故其界限值也相应减小;
●改变炉温,由于使α值减小,故其界限值便相应增大;
这就是为什么在盐浴炉中加热时其极限值大大降低的缘故(因为其α值大大超过空气炉中加热时的α值)。
现在一般认为,大型锻件是指用1000t及其以上压力的液压机生产的锻件。
3大型锻件主要应用范围
●轧钢设备:
工作辊、支承辊、及大型传动零件等
●锻压设备:
模块、锤头、锤杆、活塞、
●矿山设备:
大型传动零件、大型提升装置部件等
●火力发电设备:
汽轮机与发电机转子、叶轮、护环、大型管板等
●水力发电设备:
水轮机大轴、主轴、镜板、压制成型大叶片等
●核能发电设备:
反应堆压力壳体、蒸发器壳体、稳压器壳体、主管道等
●石油化工设备:
石油加氢反应器、大型筒体、封头等
●船舶制造业:
大型曲轴、中间轴、尾轴、舵杆、大机锻件等
●军工产品制造:
大型炮管、航空涡轮盘、高压筒体等
●大型科研装置中的关键零部件。
4大型锻件的特点
特点1:
尺寸大、重量大
【例】我国生产的600MW汽轮发电机转子锻件
尺寸:
Φ1280mm×
16310mm
单重:
111t→→需要用250t的钢锭锻造。
日本生产的2200~2400MW汽轮发电机转子锻件
Φ1808mm×
16880mm
247t→→需要用500t的钢锭锻造。
★尺寸大、重量大→→钢锭大→→锻件大→→▲组织不均匀性严重
▲冶金缺陷多【偏析、疏松、缩孔、非金属夹杂物】
▲气体含量高
◆这些缺陷的存在,在随后的锻造过程中很难消除掉。
所以大锻件中往往存在化学成分不均匀性和许多冶金缺陷。
【例】以Φ700mm的轴为例,曾发现
取样部位
C%
P%
S%
表面成分
0.49
0.025
0.017
心部成分
0.60
0.058
0.048
★尺寸大、重量大→→热容量大→→加热、冷却速度不可能大→→▲很难获得M▲表面和心部组织不同
→→▲工件的热应力和组织应力都较大
▲表面和心部的力学性能差异较大
特点2生产环节多、生产周期长
生产过程包括:
炼钢→→铸锭→→锻造→→锻后热处理→→粗加工→→性能热处理→→各种理化试验
【▲化学成分分析试验(常规元素含量、气体含量、残余有害元素含量分析),
▲低倍试验(酸浸试验、断口试验、硫印试验),
▲力学性能试验(拉力试验、冲击试验、冷弯试验、硬度试验、硬度均匀性试验、断裂韧性试验、冷脆转变温度试验、疲劳试验、高温持久试验),
▲高倍试验(非金属夹杂物、组织、晶粒度、断口分析、)
▲无损探伤(超声波探伤、磁粉探伤、涡流探伤、射线探伤、声发射试验)】
5大型锻件热处理的主要工序及其特点
大型锻件的热处理实际上从锻造之后便开始了。
它包括:
●锻后立即进行的等温退火、球化退火以及正火、回火热处理(通常称之为第一热处理),它是为性能热处理做好组织准备的一道工序;
●粗加工后进行的调质热处理(通常称之为第二热处理)它是赋予工件所要求力学性能的热处理。
一般中小型锻件,多用锻坯或轧材锻成,而大型锻件均用钢锭锻成。
前者锻后进行沙冷、灰冷、堆冷或空冷即可;
后者一般都要进行预防或者说消除白点的热处理,这一工序很重要也很特殊,一般中小件是没有这一道工序的。
下面重点介绍白点问题和锻后热处理。
6大型锻件的锻后热处理
6.1锻后热处理的目的
●防止白点和氢脆;
●改善组织、细化晶粒,为性能热处理及超声波探伤作好组织准备;
●消除锻造应力;
●降低硬度便于切削加工;
●对不再进行第二热处理的锻件,锻后热处理便是最终热处理了,它既要完成预防白点和氢脆的任务,又要完成热处理后,工件的组织、晶粒度、力学性能达到技术条件要求的任务。
6.2名词:
白点、氢脆
6.2.1白点——是钢中因【H】的析出而引起的一种内部裂纹。
其形态:
●在横截面低倍试片上可见到白点呈许多细小的、略带锯齿状的裂纹,长度从几mm到几十mm不等。
●在纵向断口上,白点呈圆形或椭圆形银白色斑点,白点因此而得名。
————见925钢白点照片。
6.2.2氢脆——是金属或合金吸收【H】而引起塑性、韧性降低的现象。
●据研究,即使钢中没有白点,若【H】含量较高时,套料做拉伸试验,其强度σs、σb可能没有问题明显变化,而塑性指标(δ、ψ)则会明显下降。
究其原因是因为存在氢脆现象。
●在我们的生产实践中有时候会遇到氢脆现象。
【例】2005年在生产出口合同45MnQ钢方舵杆,热处理后做拉伸试验时,强度(σs、σb)合格,而塑性(δ、ψ)不合格,结果在拉棒断口上发现有白斑。
●白斑不是白点。
白点是钢中已经存在的内部裂纹,而白斑不是内部裂纹,它是由于钢中【H】含量偏高(未到产生白点的临界【H】含量),在拉伸过程中拉应力作用下,【H】产生重新分布与聚集而产生撕裂,结果在拉棒断口上便见到了灰白色斑点(故称为白斑)。
●白点是不可消除的缺陷,而白斑是可消除的缺陷。
采用补充回火扩【H】的办法,可以将【H】扩散出去便可达到消除白斑的目的。
事实上,上述方舵杆经补充回火后,再做拉伸试验,全部性能指标都合格了。
●多数碳钢锻件和部分合金钢锻件的锻后热处理就是最终热处理。
对于这类钢锻件在锻后要安排一次正火和回火,以期获得必要的组织和性能。
●对于合金元素较多、性能要求较高的锻件,尽管还要进行最终热处理,锻后也要进行一次甚至多次重结晶,以便改善锻件的组织和性能,为最终热处理做好组织准备,并为超声波探伤提供条件。
7白点问题
●白点是第一次世界大战期间在Cr-Ni钢中发现的。
1917年在美国,所有Cr-Ni钢制成的飞机曲轴上都有白点,导致飞机制造业完全停产。
●白点易造成严重的设备、人身事故,这方面国内外都有经验教训。
1954年12月19日晚,美国芝加哥瑞吉兰电站一台16.5万KW汽轮机低压缸主轴,因为存在白点缺陷,使仅仅运行了三个月的设备发生爆裂事故。
●白点的形成与【H】的逸出和材料的变形方向有关,规律如下:
1白点的出现具有批量性。
即同一冶炼炉次、同一尺寸锻件、执行同一热处理冷却工艺,往往都会在该批锻件中发现白点。
2白点容易出现在大截面部分。
③由于【H】的扩散外逸,靠近锻坯端头及表面不会产生白点。
7.1现象:
白点一般多产生于经锻造或轧制的产品中。
在铸件和钢锭中很难见到白点。
7.2钢材:
马氏体钢、马氏体—贝氏体钢、马氏体—珠光体钢、珠光体钢的白点敏感性强;
奥氏体钢、铁素体钢、莱氏体钢在生产实践中未发现过白点。
所谓白点敏感性是指在相同的条件:
钢中【H】含量相同
钢的截面积相同
钢的夹杂物和偏析程度相同
热处理与锻后冷却条件都相同的情况下,不同钢种产生白点的难易程度,称之为白点敏感性。
7.3冶炼方法:
碱性平炉钢比酸性平炉钢、碱性电炉钢的白点敏感性强。
7.4产生部位:
白点既不出现在锻件的近表面,也不出现在锻件的心部,而是出现在它们之间的中间地带,或是在偏析区(因为这里富集C、P、S和合金元素)。
白点形核于亚晶界、夹杂物表面、及其他晶体缺陷处。
这也就是为什么低倍试验检验白点的试片,必须先切去一段弃料以后,才能切取低倍试片的原因所在。
见下图。
图7—1低倍试样取样图
7.5产生方向:
沿金属的纤维方向产生。
7.6白点特征:
在经过磨光和酸蚀的横向切片上,白点是一种细小的发状裂纹,有时呈幅射状分布,有时则平行于变形方向或无规则方向分布。
在纵向断口上白点呈圆形或椭圆形银白色的斑点,直径约5~10mm,也有比较大的、大到40~60mm,
7.7白点的检验方法
常用的白点检验方法有:
▲热或冷酸浸腐蚀检验法(日常生产中使用)
▲断口检验法(日常生产中使用)
▲超声波探伤检验法(日常生产中使用)
▲磁粉探伤检验法(用于检验工件表面是否有白点)
▲着色探伤检验法(用于检验工件表面是否有白点)
▲金相检验法(用于研究白点)
▲扫描电子显微镜分析法(用于研究白点)
宏观白点缺陷形貌,见下面的照片。
7.8白点形成的温度:
白点一般是在300℃以下温度形成的。
GCr15钢钢坯在冷却过程中,白点是在200~100℃出现的;
30CrNiMo钢钢坯中,白点是在100~30℃出现的;
而18CrNiMo钢钢坯中,白点是在车间温度下长时间存放,经过所谓的潜伏期后才出现的。
一般情况下,白点是在200℃~50℃形成,基本上不随钢的化学成分而变化。
白点的形成需要孕育期,在时间的作用下钢中的【H】形成足够程度的偏聚,导致金属脆化。
一般说来,钢的截面越小、合金化越高,则潜伏期越长,有的相隔数日或数十日。
因此,白点的检验必须考虑在白点形成之后。
7.9对钢性能的影响:
是一种无法补救的缺陷。
它使钢的横向塑性和韧性大大降低,淬火时易淬裂。
所以锻件技术条件中通常都有这样的规定:
一旦发现白点工件即报废。
7.10白点的免疫性:
●某些研究者提出,钢的氢含量【H】<2PPm时,白点具有免疫性,即不会产生白点。
●也有人认为,如果在第一次变形和冷却后的钢坯中没有白点的话,则在其后的热变形和热处理时,不管冷却速度如何,钢坯都不会产生白点。
这就是所谓白点的免疫性。
【示例】我们通常在锻造很长(例如10多米)的轴类零件时,往往采用先锻成一定长度(根据加热炉的长度来决定具体长度)的坯料,并对坯料进行中间退火(扩【H】预防白点处理),然后再由坯料锻成产品,此后不再进行扩【H】退火的做法,就是上述观点在制定锻造工艺和锻后退火工艺中的具体应用。
●钢无白点极限【H】含量,受控于①钢的白点敏感性
②钢的化学成分
③钢的组织状态
▲化学成分中,①Ni、Mn、Ni—Cr等元素,提高白点敏感性;
②Zr、Nb、Mo、W、V、Ti和Cr等单独存在和稀土元素,降低白点敏感性。
▲组织状态中,白点敏感性下降的顺序是:
①珠光体、贝氏体、马氏体;
混合组织比单一组织更易出现白点;
②细化晶粒、碳化物质点的细化与片状化,位错密度的增加等因素可加大结构缺陷对氢的捕获作用,可减小钢的白点敏感性。
东北重机学院、燕山大学、中国科学院曾对转子、冷轧工作辊、支承辊、热作模具钢测定其无白点、无【H】脆的极限【H】含量如下:
单位:
PPm
钢种
34CrNi3Mo
26Cr2Ni4MoV
30CrNiMo1V
70Cr3Mo
9Cr2Mo
5CrNiMo
15MnVN
无白点
1.8
2.7
2.3
无氢脆
1.4
1.1
1.5
还应特别注意:
少量的残余奥氏体的出现,可急剧加大锻件的白点敏感性。
那是为什么呢?
因为残余奥氏体不仅阻碍【H】的扩散逸出,而且有吸引和储存【H】的作用,使【H】在钢中局部地区高度集中,随后当残余奥氏体→→马氏体时,在巨大的相变应力作用下便有产生白点的危险。
●有人提出,无白点极限【H】含量可以在冶金质量高、均质的理想大型锻件中应用,对一般大型锻件不一定适用。
这又是为什么呢?
原因有三:
①某一钢种的无白点极限【H】含量的测定,是采用渗入不同【H】含量的小试样,经极慢的拉伸而测得的。
它不同于大型锻件内部【H】含量的实际分布情况。
大型锻件内【H】的分布是不均匀的,有时甚至相差很大。
一般测得的锻件【H】含量,不是锻件内的最高【H】含量。
大型锻件心部的【H】含量也不容易测得,故而说它不适用。
②大型锻件心部存在多方面的不均匀性:
◎化学成分不均匀性;
◎致密不均匀性
◎【H】含量分布的不均匀性
这些都与小试样渗【H】情况不一样,故不适用。
③大型锻件内部常存在非金属夹杂物或疏松、未焊合等缺陷,在这些地方产生应力集中而导致【H】在此部位富集,提供了产生白点的必要条件。
也与小试样渗【H】情况不一样。
因此,大型锻件在低于无白点极限【H】含量的情况下,仍有产生白点的可能性,原因即在此。
所以,关于白点的免疫性,不能生搬硬套,要考虑钢的冶金质量是否好(化学成分均匀、夹杂、偏析少)。
如果都好,锻件才具有白点免疫性,否则不一定具有免疫性。
这就是为什么原始【H】含量低于无白点极限【H】含量的锻件,在实际生产中还要安排一次扩【H】热处理的原因。
8白点形成原因假说
假说很多,主要有:
氢压说、位错说、界面吸附说、点阵弱化说等等。
但归纳起来,主要与钢中的【H】含量和应力有关。
●①钢中的氢含量
对大型锻件,当【H】含量<1.5PPm时,有时也会产生白点。
为什么?
道理上面已经说过。
根据统计资料,在正常的情况下,普通大型锻件的钢水中,【H】含量大致如下:
熔炼设备
【H】含量PPm
说明
酸性平炉钢
3.56~4.45
①在其他条件相同时,含Mn和Ni的钢水比不含Mn和Ni的钢大致高0.27~0.45PPm
②除接近冒口区外,在锭身部分,平均【H】含量比钢水约低0.89~1.33PPm
碱性平炉钢
5.33~6.23
碱性电炉钢
4.00~4.89
真空电炉钢
1.96~2.23
而经各种真空处理前后,钢中【H】含量的变化如下:
各种真空处理时,钢中【H】含量的(PPm)的变化
除气方法
除气处理前
除气处理后
真空铸锭
3.4
3.3
1.2
1.0
低合金钢
Ni―Mo―V钢
流滴脱气法
6.5
3.0
CK45
出钢脱气法
2.4~4.2
1.8~2.5
0.7~1.1
0.5~0.7
CK35
氩气并用脱气法
4.2
1.3~1.7
─
循环脱气法
4.0
真空吸上脱气法
3~6
1~2
●②钢中的应力
▲组织应力:
混合(如M+B、M+P)组织的存在,促使白点的产生;
▲变形应力:
锻后冷却时,中心的拉应力促使白点的形成,而表面的压应力则阻止白点的形成。
【有趣的实验】
нкмз工厂做过一个实验,在热变形后立即进行弯曲的钢坯冷却后发现,钢坯在拉力区有白点,在压力区无白点。
▲冷却应力:
锻后冷却过快造成的热应力有促进白点形成的作用。
总之,白点的形成是【H】和应力共同作用的结果。
那么,如何降低钢中的氢气含量呢?
●钢中的氢气主要来自:
金属炉料、合金铁、造渣材料、炉内气氛中所含的水分、以及耐火材料中的有机化合物水分和钢锭模涂料。
●为了降低钢中的【H】气,应该
▲冶炼时应使用纯净的炉料(如使用少锈的废钢和生铁)、使用经过充分烘干的合金铁等。
▲熔炼时应保证整个熔池内发生强烈的沸腾,以期最大限度地去除氢气。
▲采用真空熔炼、真空浇注是降低钢中【H】含量的好办法。
所以,重要锻件要走钢包精炼、真空浇注工艺路线,尽量减少钢中的气体和夹杂物。
9大型锻件中的氢
大型锻件中的【H】主要来自炼钢原材料及冶炼过程,是不可避免的。
在钢中【H】主要以下列四种状态存在:
①固溶氢:
以间隙原子(或离子)的形式固溶于钢的晶体点阵中的【H】称为固溶氢。
这种【H】的扩散、偏聚活动能力很强,是引起白点和氢脆的主要来源。
②分子氢:
由【H】原子结合而成分子,主要存在于钢的孔洞、疏松、界面等处,400℃以下无扩散能力,400℃以上将分解为原子【H】并重新获得扩散能力。
③捕集氢:
被钢中的位错、相界面、晶界、亚晶界及其他点阵缺陷(统称为【H】陷阱)所捕集而不能自由扩散的【H】原子,捕集【H】在低温下仍有部分扩散能力,在温度较高时捕集【H】将挣脱阱的束缚重新变为固溶【H】。
④化合氢:
当钢中含有Ti、Zr、Nb、V、Ti等元素时,【H】可以形成氢化物,亦可溶于碳化物中,形成含【H】的碳化物——化合氢,它是不能扩散的。
普通用途的大型锻件用钢中,上述元素含量很少,故可以忽略不计。
最后归纳一下:
防止白点的对策有三,
①注意炉料的烘烤,冶炼时充分沸腾,采用真空除气技术,降低钢中的【H】含量;
②锻后及时装炉退火;
③根据钢种和钢中【H】含量以及锻件的大小等情况,合理制定去【H】退火工艺。
10大型锻件锻后热处理工艺的制定原则
原则1让大型锻件尽快地、充分地由A→→F+K(即P类型)组织
★目的有二:
①通过相变重结晶细化晶粒
②有利于【H】的脱溶和扩散
★制定工艺主要是确定:
①冷却速度
②过冷温度
③过冷温度下的保温时间
确定过冷温度和过冷温度下的保温时间的工艺参数,见下表
A的稳定性
A过冷分解
最快的温度(℃)
过冷温度
(℃)
大型锻件实际
过冷的温度(℃)
过冷温度下的
保温时间※
在P区
极不稳定的钢
550~600
400~450
1.0~1.2h/100mm
在P区比B转变区稳定的钢
280~320
250~300
1.2~2.0h/100mm
※——确定保温时间原则:
①要保证心部降低到过冷温度
②要使A分解率达到最大程度
③一般地说,不论截面大小,只要中心达到过冷温度后再保温3~4h就可以了,不必花费更多的时间。
●由A化温度到过冷温度的冷却方式:
一般采用炉冷、空冷—炉冷间断冷却、或空冷。
●如果由终锻温度过冷的冷却速度加大,并适当降低过冷温度的话,等温保温时间可以大大縮短。
锻件的中心达到等温温度后,其保温时间不需要以锻件的截面计算,只要规定一个总时间,有人建议20~30h就可以了(截面较小的锻件还可以短一些)。
这样一来,①A完全分解没有问题
②有足够的去【H】时间。
●对于过冷A非常稳定的钢,采用较快的冷却速度(如鼓风冷却等)以及较低的过冷温度(如低于Ms点的180~200℃),可使大型锻件心部更快地冷却到A迅速分解的温度(280~320℃),从而使心部转变温度下降,得到沿截面分布较为细小均匀的贝氏体组织。
但需切记,①这种过冷工艺可用于钢水经过真空处理的大型锻件;
②此种过冷工艺万万不可用于由大气浇注的钢锭锻制的大型锻件。
这样做,在过冷阶段便有可能产生白点,而使锻件报废。
原则2在略低于A1或Ac1温度下长时间等温保温进行扩【H】退火
★目的有三:
①使一部分【H】自锻件表面排出去(一般只能使锻件平均【H】含量下降10%~12%);
②使【H】自含量高处扩散到低处,达到分布均匀;
③促使【H】扩散到不致密处并由原子态转变为分子态。
①保温温度
②保温时间
★确定工艺参数的原则:
①保温温度应根据钢的A1或Ac1来确定
②要区分是否还要进行最终热处理?
还要进行的锻件,通常取650±
10℃;
不再进行最终热处理的锻件,等温温度应与要求得到的性能相适应。
③保温时间要考虑:
a.钢的原始【H】含量,越高者,时间越长;
b.钢的化学成分,对白点敏感性的钢,其无白点极限【H】含量越低,要求保温时间越长;
c.锻件的截面尺寸,在实际的工艺中,虽然扩【H】时间不按与直径平方成正比关系确定,但也比一次方关系长。
现将收集到的资料、整理、汇总,见下表
白点
敏感性
钢号
极限【H】
含量(PPm)
等温温度
时间计算
(h/100mm)
备注
低
C%<0.5%的碳钢、
低合金钢,如
15CrMo、20Cr、
20CrMo、20MnMo
3.6
600—660
≤700mm者
1.2~1.5
>700mm者
2.0~2.5
中小件锻后可空冷或坑冷,
也有资料认为,保温按3~6h/100mm计算
中
中碳低合金钢,如
40Cr、35CrMo、
34CrMo1、42CrMo
3.2
1.0~1.2
如果锻后冷却即为最终热处理,则正火后在600~660℃保温按
5~8h/100mm计算
较高
中碳合金钢,如
40CrNi、34CrNiMo、
5CrNiMo、5CrMnMo、
70Cr3M0
先过冷到
280—320
再升至
650±
10
5.0~7.0
高
高合金钢,如
12Cr2Ni3Mo、18Cr2Ni4W、
26Cr2Ni4MoV、34CrNi3Mo
12.0~15.0
≤800mm者适用。
在280~320℃保温时,
对Ni%>2%者,时间应略延长
1.5~2.0h/100mm
上表仅供参考。
必须注意!
时间参数应根据各厂的冶金质量,抽真空的效果(实际真空度)不同而有所差别,即应根据本厂的实际情况确定具体参数。
●考虑了【H】的析出动力学以后,为