材料成型专业科研训练论文

1、 学校代码： 学 号： 本科科研训练报告（学生姓名： 学 院： 系 别： 专 业： 班 级： 指导教师：二 九 年 十二月目 录第一章 绪 论.11.1研究意义.11.2国内外研究状况.11.3本文研究综述.2锻造余热定义及分类.2 锻造余热热处理时的内部组织变化.2锻造余热热处理工艺.3 锻造余热退火.4锻造余热正火及回火.6 锻造余热退火.71.4 主要研究内容. .91.5 主要参考目录.9第一章 绪论1.1研究意义 试验证明，利用锻造余热淬火，加高温回火，获得的碳化物颗粒较小，其平均直径0.3微米左右，而且高度弥散分布。这说明这种工艺能有效提高锻件的淬透性，获得理想的硬度。锻造余热处理

2、分为四种，分别是淬火、回火、正火、退火。锻造余热热处理目的：降低材料费用、降低能耗、降低设备费用及占地面积、提高切削性、能够保证高频淬火质量、改善操作环境等等锻造余热淬火意义【5】：有效提高锻件的淬透性，获得理想的硬度。锻造余热回火意义【5】：实验表明锻造淬火件比普通淬火的回火温度要高出150度时才开始有明显的软化，这证明锻热淬火件是处在理想的淬火状态。另外就冲击值而言，当回火时间保持在2小时以上时，锻热淬火件的冲击值要比普通淬火件高1.5-2.倍。不论任何情况，锻热淬火件的硬度、冲击值、抗拉强度都比普通淬火件高。锻造余热正火意义：利用锻造余热，经过一定的冷却调整，能够有效提高锻件的切削性。锻

3、造余热退火意义：利用锻造余热进行等温退火，可以有效的消除锻件硬度的波动，确保良好的切削性，使金相组织变成珠光体晶粒均匀的分布在铁素体基体组织。因此，锻造余热处理不仅避免了重复加热，可以节省大量能源，提高生产效率。而且能过得出所期望的材料性能，因此，是一个十分重要的学术课题，具有重大的学术意义和应用价值。1.2国内外研究情况：国外研究状况【6】：国外对于锻造余热处理已经研究多年，但在模锻件生产上大量的使用大约是在60年代以后才开始的，现在这种工艺的应用已经很广泛。如日本于1963年开始研究，1966年已大量地应用于生产中了，目前锻造淬火法已成为生产调质钢锻件的主要方法，如在汽车的生产中，发动机连

4、杆、汽车摇臂、汽车半轴、十字轴、转向节以及各种大小齿轮等都是生产的零件，从多年来产品出售的情况来看，没有发现任何的问题，与此同时，在日本的有关杂志上与发表了不少对于锻造淬火新工艺的实验研究著作，有的还写成了专门的书籍。在各种手册中锻造淬火法已有专门章节介绍。1970年日本铸锻造和热处理工业通鉴中把锻造淬火列为近年来锻造技术的重要成就。其他国家也有应用，就报道，俄罗斯T-54拖拉机的连杆也采用了锻造淬火的方法。国内研究状况：国内有的单位在65年前已经开始对锻造余热淬火的研究，取得一定的成果，近年来有不少工厂开始研究和应用这项工艺，如上海柴油机厂的135型发动机连杆的锻造淬火于1970年开始试验，

5、71年已经投入生产，至今已有不短的时间，效果很好。1.3本文研究综述锻造余热定义及分类：所谓锻造余热热处理指的是利用锻造余热进行淬火、退火及正火等。但不能把锻造余热热处理看成是一般的热处理而应将其看成是形变热处理的一种。关于这个问题目前还有些不同看法。一种意见认为如果锻造形变所造成的强化效应能保留到热处理之后，则可将其归并入高温形变热处理的范畴 否则，如果锻造形变强化效应已经通过回复与再结晶而消失，随后立即进行的热处理仅仅是利用了锻造所留下的余热，则不应再称之为高温形变热处理，亦即不应再将其看成是形变热处理。我们认为这一看法是片面性的，我们的意见是如果把形变的影响不仅仅局限于热处理后是否保留形

6、变强化效果而是将其扩大到对形变后的相交以及相变所得产物及其性能的影响，则利用锻造后的余热立即进行余热处理均可看成是形变热处理。因为即或在锻造形变之后进行充分的回复与再结品，但所得的组织仍与锻造形变密切有关，如再结晶所得晶粒比较粗大，奥氏体晶界比较干净等等，这些都必将影响随后所发生的相交及相交所得的组织与性能。但由于这是介于锻造与热处理之间的一种工艺，这一工艺的采用不仅需要从事锻造与热处理的技术人员与工人之间的密切配合，而且还要对锻造车间进行适当的改造【1】。1.3.2 锻造余热热处理时的内部组织变化：钢加热时从低温组织转变为奥氏体的过程称为加热转变。对钢的加热转变已进行了广泛的研究。结果表明，

7、钢的加热转变与转变开始时的组织密切有关，亦即与加热前的原始组织、加热速度、转变温度、钢科成分等有关。下面分别讨论具有不同原始组织的钢的加热转变。平衡态钢的加热转变平衡态指的是退火、正火以及淬火并充分回火。a基底已再结晶的状态，此时碳以碳化物状存在。碳化物可能呈片状，如退火、正火后，也可能呈颗粒状，如淬火并高温回火后。a相可能呈片伏，如珠光体中的a相；或成等轴状，如先共桥铁索体或淬火并高温回火后得到的在其上分布有颗粒状碳化物的等轴铁索体。一般锻造加热前都为平衡态。将平衡态的共析钢加热到Acl以上将转变成奥氏体。转变是通过形核与长大进行的【1】。一般认为奥氏体的核在铁索体与渗碳体交界面上形成。但近

8、年的工作表明奥氏体的核更易在大角易界上形成，其中包括珠光体团界、珠光体与铁索体交界面、铁素体与铁索体晶航交界面。如加热速度较快，转变被推迟到较高温度，则奥氏体的核也可能在铁素体易粒内嵌镶块边界，即亚晶界上形成5奥氏体的核在铁索体与渗碳体交界面上形成是因为这里易于满足形核时对成分与能量的需要。因铁索体含碳仅002，渗碳体含碳为669，而在略高于Acl时所形成的奥氏体的台碳量为077，介于二者之间，远高于铁索体含碳量，故在铁索体内难以形成奥氏体核，而在铁索体与渗碳体交界面上就容易满足对成分的要求，形成含碳077的奥氏体核。此外，铁索体与渗碳体交界面的界面能可以提供形核所需的能量。易于在大角晶界形核

9、与上述讨论并不矛盾，因为在大角晶界上也有渗碳体，奥氏体的核也总是在这些渗碳体旁边形成。锻造余热热处理工艺： 大部分重要机械零件均需通过热锻成形。为便于锻造，加热温度均较高，一般远高于钢料淬火加热温度。故在锻造加热时，奥氏体晶粒将显著长大。在热锻成形及成形后的停留过程中，将出于形变而发生的再结晶使粗化了的奥氏体重新变细。但通过形变再结晶所得奥氏体晶粒相对于正常淬火加热时所得奥氏体仍粗得多。热锻成形后，通常均采用堆放空冷。由于冷却速度慢，故冷至室温时所得的是由较粗大奥氏体晶粒转变而得的粗大的接近平衡状态的组织。亚共析钢将得到粗大块状铁索体和层片状珠光体，过共析钢将得到网状碳化物和层片状珠体。这类组

10、织的性能极差，不能直接使用，即或重新加热到正常奥氏体化温度，对于亚共杆钢也不能获得成分均匀的细小的奥氏体晶粒；对于过共析钠也不能消除已经存在的网状碳化物。因此，在最终热处理之前必须重新加热到Ac3及Acm以上进行一次细化退火或正火以细化组织或消除网状碳化物并改善可加工性。由此可见在热锻成形后需要二次重新加热到临界点以上，这将消耗大量能源与工时，如能通过控削锻后冷却，防止形成粗大的抉素体和珠光体以及杆出网状碳化物，使直接获得相当于缎后再次退火、再次正火甚至最终淬火所得的组织，则锻造成形后的退火、正火甚至最终焠火等均可取消。这就可以大量节省能源与工时，堤高生产效率锻后快冷获得淬火组织以取代原来的退

11、火或正火以及最终淬火的工艺称为锻造亲热淬火，简称锻热淬火。锻后立即淬入等温槽中称为锻造亲热等温淬火。锻后缓冷以取代原来的重新退火称为锻适余热退火。锻后空冷以取代原来的重新正火称为锻造亲热正火。在这些锻后余热热处理工艺中目前研究得最多、在生产上应用最广的是中碳结构钢的锻造亲热淬火。 锻热淬火：锻热淬火指的是在热锻成形后立即淬入淬火介质中以获得淬火组织的一种将假造与淬火结合在一起的工艺方法(图2I)。可以把锻热淬火看成是高温形变淬火，但又不能简单地将二者等同起来。高温形变淬火是形变热处理中的一种；形变热处理是指将形变与热处理结合在一起的一种工艺操作，形变热处理种类很多。其中的高温形变热处理 图2d

12、 锻造余热淬火工艺指的是将钢加热至稳定奥氏体区保温一段时间，在该温度下形变，随后立即淬火以获得马氏体组织的一种工艺。形变热处理强调的是形变必须在相变之前或在相变时，相交时还必须保留形变强化效果。对于高温形变淬火来说，因为形变是在奥氏体再结晶温度以上的高温下进行的，在形变的同时就有可能发生动态回复与再结晶，在形变后的高温停留过程中准动态再结晶与静态再结晶也将以极快速度进行为了在淬火时仍能保留形变强化效果，必须在形变后立即淬火。但对于锻热淬火来说，虽然姑锻温度都比较高，但终锻温度可能差别很大，有的较高，再结晶比较容易进行。有的就很低，再结晶速度已很慢。另外在锻造成形后还需要切达和整形，必须在高温停

13、留一段时间才能淬火，而不同锻件所需的高温停留时间也不尽相同，故在高温停留过程中所发生的再结晶的程度也不同。因此，在淬火时有可能仍保留一定的形变强化效应，也可能形变强化效应已经消失殆尽。这二种不同情况仍均属锻热淬火，但前者可被视为高温形变淬火，而后者有人认为已不属于形变热处理范畴【3】 锻热淬火在生产上早巳应用。如古代在生产刀剑时大多是在最后一火锻打成形后立即淬入淬火介质中促在当时对这种工艺的本质并不清楚。对其进行深入的研究还只是近20多年的事情。最初在采用这种工艺时，主要是为了简化工艺和节约能源；但实践表明，除此之外，采用缴热淬火还可以进一步改善性能，因此引起了国内外热处理工作者的极大兴趣，尤

14、其是自七十年代能源危机以来，这一工艺更得到了大家的重视。山中久彦3在讨论日本热处理技术近期发展动向时将此工艺列在首位。目前这一工艺日益广泛被用于生产。锻热淬火并高温回火后的强度与硬度一般均高于普通调质但塑性与韧性梢低。由此可以看到镀热焠火的优越仕和生命力。余热淬火除可提高性能外，还具有下设一系列优点。1节约能量采用锻热淬火可以省去原调质工艺印的锻后正火以及调质淬火二道加热，故能显著节约能量以电加热为例，如仅省略调质淬火加热工序，则每吨锻件可以节约400kwh电。有许多调质件在调质淬火前往往还需进行一次正火。如将省略正火加热工序也考虑在内，则每吨锻件可以节约850kwh电。一台二吨锤一年按生产l

15、 700t锻件计，每年可节约1445万kWh电。另外采用锻热淬火工艺时，锻坯的加热一般均采用连续加热炉。与锻造车间通常采用的周期式炉相比，热效率高燃料消耗低。如常州镊造厂采用连续推杆炉代替周期式炉后，溉油消耗降低50。 2节约钢材由于锻热淬火可以在保证足够的塑性与韧性的前提下提高强度，故采用该工艺可以减轻零件重量。如美国福特汽车公司采用锻热淬火生产汽主板笑后，由原来的14片，77k8减至7片，52kg，节约钢材32“M。又由于锻热淬火可以显著提高钢的淬适性，故原采用水淬的，可以改用油淬；原采用合金结构钢的可以改用普通联钢。因此可以节省昂贵的合金元素，降低原材料成本。3节约基本投资采用锻热淬火可

16、以省去原工艺中的正火及调质工序，故可节省用于正火及调质淬火的加热设备以及这些设备所占的车间面积，每节省一台75kw箱式炉，即可节省15万元：每节省一平方米车间面积，即可节省120一180元。正火及调质较锻热淬火所需增加的投资要多得多。另外，由于减少了设备，设备的维修费也将相应得到节省4节约工时，缩短生产周期由于简化了工序、故可显著节约工时并缩短生产周期如上海柴汕机厂采用很热淬火生产柴油机连杆，以年产l 2万件计，一年可节约9600工时。M。过去，一般嵌件从投料经段造、热处田到入库约需26天。采用锻热淬火即可减少到12天。由此可见*所节约的工时以及缩短的生产周期都是十分可观的。5便于机械加工形变

17、热处理是综合运用形变强化与热处理强化的一种强化工艺。其优点是能向时提高钢的强度、朗性及韧性。或在保持塑性及韧性不降低的前提下显著提高强度。其缺点是在提高强度与硬度的同时也将改变其形状。由于锻轧成形不能保证零件几何精度，故在形变热处理后必须进行机械加工。但强度与硬度的提高绝机械加工带来困难。这就是许多类型的形变热处理在生产上不易得到推广的主要原因。用锻造余热淬火及随历的高温回火来代替原来的调质工艺不存在这一影响。因为高温回火后的强度与硬度并不高，不难进行机械加工，故锻热淬火是最易于推广的一种形变热处理工艺。由于锻热淬火具有上述一系列优点，故在生产上已得到广泛应用。由表21可见，在我国已有大量零件

18、采用这一工艺生产。我们相信今后必将会有更多零件采用这一工艺。(二)锻热淬火后的力学姓能到目前为止，对锻热淬火后的力学性能已进行了大量的研究工作。从这些工作中可以看出，影响锻热淬火后的力学性能的主要原因很多，但一般来说，锻热淬火可以在保持塑性与韧性的前提下明显提高强度与硬度。虽然不同钢料、不同零件所得的结果不尽相同，但锻热淬火与普通淬火相比，强度与韧性的配合一般均以锻热淬火的为佳 锻热淬火不仅可以改善内部组织，而且锻热淬火零件的切削性能优于普通淬火的1.3.6 锻造余热退火【1】：渗碳钢锻成毛坯空冷至室温后，通常均需进行次正火，使组织均匀化以改善切削加工性能及降低以后渗碳及渗碳后的热处理过程中所

19、发生的变形。由于正火时的转变是在连续冷却的过程中在一个温度范围内进行的，因此所得组织不均匀。尤其是由于锻压截面尺寸不同以及由于冷却条件不同而使转变在不同的温度范围内发生时更增加了组织的不均匀性。组织的不均匀必将带来硬度的不均匀而使切削加工性能变坏，加工后表面光洁皮下降，还将使渗碳以及渗碳后热处理时的变形有所增加。为克服正火的这些缺点，目前一般均采用等温退火来取代正火。即将已冷至室温的锻坯重新加热到较渗碳温度赂高的温度，保温一定时间后以40一50min的速度冷至650左右的温度保温一定时间待奥氏体全部转变为铁素体及伪珠光体后自炉中取出空冷至室温。采用等温退火可以获得均匀的组织，硬度波动小，且可通

20、过凋正等温温度而很方便地调正退火后硬度，为随后的切削加工提供条件，并减少渗碳及渗碳后的热处理时的变形。不论是采取正火还是采取等温退火均需将锻坯重新加温加热到900它以上的高温，这将消耗大量能量。如在利用锻造余热直接进行等温退火则可节省这部分能量。常用的锻造余热等温退火工艺有三种，工艺1。最简单，终锻后立即以40一50mh的冷速冷至入在t1保温一段时间后空冷至室温。t1视钢种及所需硬度而异，一般均选在殊光体转变曲线的鼻部以缩短等温退火时间。如要求较低的硬度可选用较低的等温温度。为使锻坯在进入等温炉时各部分温度均匀一致，可以采用b工艺，即在终锻后先冷待至t2保温一段时间待锻坯各部分温度均匀一致后再

21、以40一50血的冷远快冷至t1保温，t2应高于A3，一般采用900一950。 。实验结果表明，由于加热炉温度波动而引起的终锻温度的差异对快冷到等温温度时还存在的温差影响并不大。因在冷却过程中温差将逐渐减少。例如采用油炉或燃煤反射炉加热时，终锻时的最大温差可达290左右，但冷至700时温差巳降至50，故进入等湿炉时温差已不大。由此可见，通常采用工艺。即可。采用上述两种工艺时，锻坯进入等温炉时的奥氏体晶粒为再结晶所得晶粒，一般在4级左右，比较祖大。为细化奥氏体晶粒以达到细化等温退火组织的目的因此目前采用在终锻后先冷至低于A2的小持奥氏体全部转变完后再重新加热至t2保温一段时间后以40一50min的

22、速度快冷至t2保温,t3不宜过过低，t3愈低，被利用的余热变少。一般以500度为宜。但也应指出，锻造再结晶所得奥氏体晶粒的边界并来被弱化，故晶拉极大不致引起性能变坏。再者，细化退火组织对再次加热时所得奥氏体晶拉的大小影响也不大。故为节约能耗，也以采用工艺。为宜。采用锻热等温退火的主要目的是节能。从退火后所得组织和性能看，均与一般等温退火相同。如以正火所消耗的能量为100%，锻造余热正火及回火： 对于一些台金元素含量较低的结构钢锻件来说，由于在锻后的冷却过程中，有可能沿粗大的奥氏体晶界析出粗大的铁素体。因此在调质淬火前，必须先进行一次正火以消除已析出的铁素钵，细化组织，然后再进行调质淬火。对于台

23、金元素含量较高的结构钢锻件来说，由于在锻后的冷却过程中有可能形成粗大的非平衡组织，此时，不仅硬度偏高，不利于切削加工，且如直接进行碉质淬火，而加热速度又较慢，有可能合并成相大颗粒状舆氏体，而引起组织遗传，得到粗大组织。为切断组织遗传，在最终淬火前，也必须先进行一次正火或退火，使得到平衡态组织，这样才能保证在调质淬火时获得令人满意的细品被组织。考虑到一般结构钢锻件的终锻温度都在800一900度以上，与正火及完全退火加热温度相当。所不同的是前者是由锻造加热温度冷却下来得到的是经高温形变及形变后的再结晶所形成的粗大的奥氏体；而后者则是由室温加屈上来通过加热转变得到的比较纫小的奥氏体组织。如在前者粗大

24、奥氏体晶界上不存在能使晶界弱化的Mns等杆出物，则只要适当控制锻后冷却速度即可防止粗大铁素体的析出及非平街组织的形成而获得与再次正火或退火所得的相同的效果。为防止低合金结构钢及碳结构钢在镀后冷却过程中析出粗大铁索体应采用较快的冷却速度。而为防止含合金元素较高的结构钢锻件在锻后冷却过程中形成能引起组织遗传的非平面组织，则因采用先快后僵的控制冷却。由此可见，所谓锻热正火或退火即在终锻后采用控制冷却以获得所需组织。为避免在奥氏体晶界有杆出物，对锻热热处理来说并不困难。一是不要采用过高的锻造加热温度，二是即或由于锻造加热温度偏高，在加热后开锻前的冷待过程中有Mns等沿晶界析出，但锻造以及做后的再结晶也可改变其分布，故通过再结晶所形成的奥氏体晶粒边界上将不再存在Mns等析出物，为防止析出租大铁索体的锻热正火比较简单，即在终锻后采用散放、吹风、喷雾等方法提高冷却速度即可。为获得接近平衡态的不会引起组织遗传的组织则稍复杂一些，应采用特殊的冷却路或迟火炉以控制段后冷却速度。锻造余热强化正火锻造余热强化正火是在热锻成形后在空冷或在吹风冷却条件下连续冷至室温便在珠光体转变区域转变为珠光体组织的种工艺。锻坯冷至室温后，经机