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锻造厂加工锻件时金属加热过程发生的变化

发布时间:2019-10-07 点击数:789


       锻造锻件时坯料在加热过程中,大多数金属及合金会发生组织转变,晶粒长大,严重时产生过热甚至过烧。随着温度的提高,坯料变形抗力降低,残余应力逐步消失,但会产生新的内应力,过大的内应力会导致坯料的开裂。加热过程中,金属及合金的热传递系数、膨胀系数等随温度变化发生变化。随加热温度提高,金属表层与炉气中的氧化性气体如氧气、二氧化碳、水等发生化学反应,产生氧化及脱碳现象。金属及合金加热过程氧化与脱碳。


       一、氧化


       氧化是金属在加热过程中与炉气中的氧化性气体发生化学反应,在金属表面形成氧化皮的现象。例如钢加热到高温时,表层的铁与氧气、二氧化碳、水可发生反应形成氧化铁、四氧化三铁、三氧化二铁。髙温氧化实际是一种扩散过程,伴随着铁原子以离子状态由内部向表面扩散,炉气中氧以原子状态吸附在坯料表面并向内部扩散,结果形成三层不同氧化铁组成的氧化皮,最外层氧化皮为三氧化二铁,占氧化皮厚度10%,次外层为四氧化三铁,占氧化皮厚度为50%,最里层为氧化铁,占氧化皮厚度40%。氧化主要受金属材料的种类、炉气性能、加热溢度、加热时间的影响。

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       加热不同的金属材料,氧化程度不同,如钢坯料,在同样条件下,不同牌号的钢氧化烧损也不同,低碳钢烧损量大而高碳钢敏烧损量小,这是由于在高碳钢中反应生成了较多一氧化碳而降低了氧化铁的生成量。当钢中含有Cr、Ni、Al、Si、Mo等合金元素时,在钢料表面会形成致密且不易脱落的氧化薄膜,可以阻止加热过程金属的继续氧化。


       燃料炉的炉气性质可分为氧化性炉气、还原性炉气和中性炉气。炉气性质决定于燃料燃烧时的空气供给。在强氧化性炉气中,炉气可能完全由氧化性气体,如氧气、二氧化碳、水、二氧化硫等组成,这将使金属产生较厚的氧化皮。在还原性炉气中,含有足够量的还原性气体,如二氧化碳、氢气等,它可以使金属不氧化或很少氧化。普通电阻炉在空气介质中加热,属于氧化性炉气。


       加热温度是影响金属氣化速度最主要的因素。温度越高,金属和气体原子扩散速度越大,则氧化越剧烈,生成的氧化皮越厚。实际观察表明,在200~500℃时,钢料表面仅能生成很薄的一层氧化膜,当温度升至600~700℃时,便开始有显著氧化,并生成氧化皮,超过850~900℃时钢的氧化速度急剧升高,氧化会急剧增加,坯料的氧化层较厚。


       锻造锻件时的坯料在氧化性气氛中的加热时间越长,氧的扩散量越大,形成的氧化皮越厚。特别是加热到高温阶段,加热时间的影响更加显著。


       金属的氧化烧损危害性很大,一般情况下,钢料每加热一次便有0.5~4.0%的金属被氧化烧损掉,如表3-2所示。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,在机械加工时会加快刀具刃口的磨损。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。





       在锻造加热过程减少氧化的措施有:在保证锻件质量的前提下,尽量采用快速加热,缩短加热时间,尤其是缩短高温下停留的时间;在燃料完全燃烧的条件下,尽可能减少空气过剩,以免炉内剩余氧气过多,注意减少燃料中的水分:炉内应保持不大的正压力,防止冷空气的吸入;采用少无氧化加热方法。


       二、脱碳


       钢料在加热时,其表层的碳和炉气中的某些氧化性气体发生化学反应,造成了钢料表面含碳量降低的现象称为脱碳。脱碳也是扩散作用的结果,一方面炉气中的氧向钢内扩散,另一方面钢中的碳向外表面扩散,这样使钢在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。


       影响脱碳的因素与氧化一样,主要受钢的化学成分、炉气成分、加热温度、加热时间等因素影响。


       钢的含碳量越高,脱碳的倾向越大。某些合金元素增加脱碳倾向,如c、W、Si、AI等。有些合金元素则能阻止脱碳,如Cr、Mn等。而Ni和V对脱碳影响不大。炉气成分中脱碳能力最强的介质是水蒸气,其次是二氧化碳和水,最后是氢气,而增加CO量可减少脱碳倾向。在中性介质或弱氧化性介质中加热可减少脱碳倾向。加热温度越高、加热时间越长,脱碳越严重。加热温度大于1000℃时,由于强烈氧化,脱碳作用较弱。在更高温度下,由于氧化皮脱落失去保护作用,脱碳将剧烈发生。


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       脱碳使锻件表面碳量降低,降低强度和耐磨性能,脱碳层厚度小于加工余量时,对锻件性能不产生影响,反之就会影响锻件质量。一般防止氧化的措施,同样可以防止脱碳。


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