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锻造中，金属坯料锻前大部分需要加热，以改善金属塑性及变形抗力。金属的锻前加热是锻件生产过程中的重要工序。如果有同素异构转变的材料加热时，在一定的温度区间有相态转变，正确地利用这一规律，恰当地选择加热温度，就可以使金属坯料在塑性较好的组织状态下进行成形。

1、加热方法种类及比较

通常加热方法主要有火焰加热法和电加热法两大类。生产实践表明，二者各有优缺点。火焰加热的优点：燃料来源广，炉子修造容易，费用较低，加热的适应性强等。缺点：劳动条件差，加热速度慢，加热质量较难控制等。电加热的优点：升温快（如感应电加热等），炉温容易控制（如电阻炉），氧化，脱碳少，劳动条件好，便于实现机械化、自动化。缺点：对坯料尺寸、形状变化的适应性不强，设备结构复杂，投资费用较大。

2、锻造加热缺陷原因分析及防止措施

2.1 氧化   

氧化过程属于扩散过程。钢料表层的铁以离子状态由内部向表面扩散，而炉中的氧化性气体以原子状态吸附到钢料表面并向内部扩散，形成氧化皮。通常扩散过程是由外向内逐渐减弱的，因此氧化皮是由三层不同的氧化铁组成。     

氧化主要受内因（如钢料的化学成分和几何尺寸等）和外因（如炉气成分、加热温度和时间）的影响。对于一定的金属材料，减少或消除氧化主要是控制外因。相对表面积越大，则氧化皮越多。

（1）炉气成分火焰炉的炉气成分通常有氧化性气体、还原性气体（CO、H2）和中性气体（N2）。如果炉气呈氧化性时，易产生较厚的氧化层，而炉气呈还原性时，即使产生氧化层，其厚度也较薄，甚至可忽略。具体炉气呈氧化性还是还原性与空气供给有直接关系。

（2）加热温度随着加热温度的逐步升高，金属氧化扩散速度也相应加快，氧化烧损也相应加大，从而形成较厚的氧化皮。一般情况下，600℃以下时金属氧化速度很慢，但当温度超过800℃时，氧化加剧，其关系如图1所示。

（3）加热时间钢料处在氧化性介质中的加热时间越长，氧化扩散量越大，于是形成的氧化皮也越厚。特别是高温阶段的加热时间越长时，其影响更大。金属的氧化烧损危害很大，一般情况下，钢料每加热一次便有1.2%~3%的金属烧损（见表1）。同时氧化皮还加剧模具的磨损，降低锻件的表面质量。残留氧化皮的锻件，在机加工时刀具刃口很快磨损。因此，减少或消除加热时金属的氧化烧损对锻造生产来说非常重要。

在加热工艺上通常采用快速加热，并缩短加热时间等措施减少烧损。采用无氧化加热是减少和消除氧化的有利措施之一。

2.2 脱碳

脱碳是扩散作用的结果，一方面炉气中的氧向钢内扩散；另一方面钢中的碳向外扩散，这样便使钢表面形成了含碳量低的脱碳层。从整个过程来看，脱碳层只在脱碳速度超过氧化速度时才能形成，或者说，在氧化作用相对较弱的情况下，可形成较深的脱碳层。

脱碳主要受钢的化学成分等内因和加热时的炉气成分、加热温度和时间等方面的影响。

脱碳对金属构件性能的影响：

（1）对于需要淬火的金属构件，脱碳使其表层的含碳量降低，淬火后得不到要求的硬度。

（2）脱碳使钢件的疲劳强度降低，高速钢表面脱碳后使其热硬性下降。

（3）零件上不加工部分有脱碳层时，将使其性能降低；在零件加工部分的脱碳层，如其深度在加工余量的范围内，可再加工时去掉。如果超出加工余量的范围，将残留脱碳层，从而引起零件性能的不均，造成报废。

一般用来减少氧化的措施，同样可以用于防止脱碳。

2.3 过热

 至于晶粒粗大到什么程度才算过热，应视具体材料而有所不同。如碳钢（包括亚共析钢和过共析钢）以直接冷却后晶粒粗大并出现魏氏组织作为判断其是否过热的组织标志；马氏体、贝氏体钢过热之后，除晶粒粗大外还常出现晶内织构组织；高合金钢或高速钢过热后晶粒粗大且一次碳化物角状化；钛合金过热后，不但晶粒粗大，而且还出现明显的β晶界和平直细长的魏氏组织。

钢在不同温度下晶粒度的变化情况如图2所示。

钢料的过热温度主要取决于其化学成分。对于不同的钢种，其过热温度也不同（见表2）。

通常，钢中有些合金元素会增加其过热倾向，如C、Mn、S、P等元素，而Ti、W、V、N等元素可减小钢的过热倾向。

生产实践表明，某些钢的过热对锻造过程的影响不是很大，甚至过热较严重的钢材，在足够大的变形程度下一般可以消除。过热的结构钢经正常热处理之后，其组织可以改善，性能也随之恢复。但是，有些过热的钢，如果锻造时的变形程度较小，终锻温度偏高，则锻后将出现非正常组织（即过热组织）。

由于过热的组织晶粒粗大，会引起力学性能尤其是冲击韧度的降低。这是因为与细晶粒相比，粗晶粒钢晶界面积减少，从而使晶界杂质密度增加，晶粒间的结合力减弱。

近年来研究表明，合金结构钢容易产生稳定过热，如45钢、9Cr18不锈钢、GCr15轴承钢、60Si2Mn弹簧钢、高速钢等常产生稳定过热。因此，为避免锻件产生稳定过热，在锻造工艺上通常采用如下措施：

（1）控制加热温度，尽量缩短高温和保温时间。加热时，坯料不要放在炉内局部高温区。

（2）在锻造时要使锻件有足够的变形量，以破碎粗大的奥氏体晶粒。对于需要预制坯的模锻件，应保证锻件各部分有适当的变形量。

（3）过热后冷却速度要控制好。

2.4 过烧 

过烧钢断面呈浅灰蓝色，晶粒粗大似豆腐渣状。工模具钢（高速钢、Cr12MoV钢等）过烧时，晶界因熔化而出现鱼骨状莱氏体。铝合金过烧时出现熔化三角区和复熔球等。  

锻造时过烧的坯料一击就碎，因此过烧是加热时的致命缺陷。虽然极少数微过烧的钢，经高温长时间退火，再经大变形量锻造后可得到补救，但一般是不能用热处理或热加工方法来补救的。局部过烧的钢，当制造不太重要的零件时，可将过烧部分切去，其余部分可以继续使用。  

钢的过烧温度主要受其化学成分的影响，并且因不同的钢种而异（见表3）。

通常钢中的Ni、Mo等元素易使其产生过烧，而Al、Cr、W等元素则能减小其过烧。

减少和防止过烧的办法是严格遵守加热规范，特别是要控制出炉温度及在高温时的停留时间。

2. 5 裂纹

如果钢在加热过程的某一温度下，内应力超过强度极限，那么就要产生裂纹。通常内应力有温度应力、组织应力和残留应力。

（1） 温度应力 温度应力大小与钢的性质、断面温差有关。一般只有在钢料出现温度梯度，且处于弹性状态时，才会产生较大的温度应力并引起开裂。钢的温度低于550℃时处于弹性状态，因此当其处于这个温度范围以下时，温度应力的影响就显得较为突出。当温度应力超过了强度极限，就会产生裂纹而造成钢料的破坏。当温度超过550℃时，钢料塑性较好，抗力较低，通过局部塑性变形可以使温度应力得到部分消除，此时就不会造成钢料破坏了。

温度应力一般都是三向应力状态。生产实践和理论计算表明，圆柱坯料中心部分产生的轴向温度应力较切向和径向温度应力都大（且是拉应力），因此钢料加热时心部产生裂纹的倾向性较大。 

研究表明，温度应力随时间的变化规律与断面温差随时间的变化规律相同。钢料的断面尺寸越大，则其温差也越大，因而产生的温差应力也越大。

（2）组织应力组织应力也是三向应力状态，其中切向应力最大。随温度的升高，表层先发生相变，由珠光体转变为奥氏体，比容减小，于是在表层引起拉应力，心部为压应力。此时组织应力与温度应力反向，使总的应力值减小。当温度继续升高时，心部也发生相变，此时引起的组织应力是心部为拉应力，表层为压应力，虽然与温度应力同向，使总的应力值增大，但这时钢料已接近高温，不会造成开裂。

（3）残留应力钢锭在凝固和冷却过程中，由于外层和中心冷却次序的不同，各部分间的相互牵制还要产生残留应力。外层冷却快，中心冷却慢，因此残留应力在外层为压应力，在中心部分为拉应力，其符号与温度应力相同，因此钢锭加热时，对残留应力应给予足够的重视。

总之，钢料的加热，特别是500℃以下加热时，应避免加热速度过快，此时钢料的塑性较低，温度应力较大，在温度应力和坯料中原有应力的共同作用下，有可能产生裂纹。为防止裂纹的产生，对钢料的加热，特别是断面尺寸大的钢锭和导热性差的高合金钢的加热，其低温阶段必须缓慢加热，并且制定和遵守正确的加热规范。

3、结语  

金属材料加热涉及理论极为广泛，实践中注意的事项也很多，控制不好就会造成严重损失，尤其是比较昂贵的金属材料。因此，在实际生产中必须按加热规范操作，严格控制加热过程，才能达到预期效果。

作者：文/阳泉煤业集团华越机械有限公司陈迎华

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