第三章不锈钢锻造课件

第三章不锈钢锻造主讲：耿佩西安航空职业技术学院航空材料工程学院主要内容不锈钢可锻性和锻造温度范围锻造工艺特点锻件热处理锻件常见缺陷3.1不锈钢什么是不锈钢？在空气、水、盐的水溶液、酸以及其它腐蚀介质中具有高度化学稳定性的钢种。从化学成分来看，不锈钢中含铬量都较高。因为在大气条件下，钢中含铬量大于12%时，基本上不会生锈，因此习惯上将含铬量超过12%的钢称为不锈钢。原因：铬在铁的表面形成氧化膜，保护表皮下面的金属免遭腐蚀，使铁表面“钝化”。3.1不锈钢♣不锈钢中主要合金元素及其作用加入镍及铬：控制奥氏体相的稳定性及改善耐蚀性和抗氧化性；加入硅及铝：增进抗氧化及抗渗碳性能；加入钛及铌或降低含碳量：消除或降低晶间腐蚀倾向，因钛或铌可与碳形成稳定的碳化物。加入钼：增加耐蚀性，特别是对含氯离子介质的点腐蚀；加入铜：提高对硫酸的腐蚀性；加入硫、硒或铅：改进切削加工性能；加入稀土元素：改善热加工性能；加入锰：可部分代替镍，扩大γ相区；加入钒、钨、硼、铁、氮等：提高热强性；3.1不锈钢♣铁素体不锈钢含铬13%~30%，C%小于0.12%，具有铁素体组织，典型牌号有：1Cr17,1Cr17Ti,0Cr17Mo2Ti,1Cr25等。在锻造加热或冷却过程中无同素异构转变。力学性能很少因为热处理而发生改变，仅有的热处理方式为退火，用于冷加工后。♣马氏体不锈钢含铬12%~18%，C%为0.1%~1%。一般当含铬量超过约12%时，钢才会钝化而不锈。如图，马氏体不锈钢和铁素体不锈钢含铬量有重合的区域15%~18%,具体属于哪一种，以含碳量多少来决定。3.1不锈钢♣不锈钢牌号表示法（1）牌号最前端的数字表示千分之几的含碳量（1个0表示含碳量≤0.09%，2个0表示含碳量≤0.03%）；（2）每个元素符号后面的数字表示百分之几的平均元素含量，平均合金元素含量小于1.5%时，在钢号中仅标明元素符号，不标明数字；（3）平均合金元素含量≥1.5%，2.5%，3.5%，...，23.5%，...时，相应地写成2，3，4，...，24，...；（4）平均合金元素含量为1.50%~2.49%，2.50%~3.49%，22.50%~23.49%，...时，相应地写成2，3，...，23等。举例：0Cr17Ni4Cu4Nb表示含碳量小于0.09%，平均含有17%的Cr元素，4%的镍元素（或3.50%~4.49%），4%的铜元素（或3.50%~4.49%）和小于1.5%的铌元素。3.1不锈钢练习巩固：1Cr13Ni4Cr10Si2Mo0Cr15Ni5Cu2Ti3.1不锈钢♣不锈钢的使用特性1.抗腐蚀能力强在大气、水、海水、酸及其他腐蚀性介质中的化学稳定性强，有耐酸不锈钢、抗氧化不锈钢和热强不锈钢之分。2.中温性能优良热强不锈钢在600℃以下的耐蚀性、抗氧化和力学性能优于铝合金和结构钢，与钛合金相当，而且具有良好的室温和高温塑性及可锻性。3.硬度和耐磨性高高硬度不锈钢不仅有良好的耐蚀性，还具有很高的硬度和耐磨性及较好的韧性，适于制造在腐蚀环境中工作的耐磨零件。4.切削性能差5.综合性能优异6.性能价格比高单位质量的价格低于相当性能水平的高温合金和钛合金。3.2锻造温度范围♣不锈钢的锻造温度范围1、铁素体不锈钢铁素体不锈钢锻件晶粒度主要取决于始锻和终锻温度以及终锻时的变形量。其再结晶温度比较低，终锻温度可以低至700℃，生产上定为720~800℃，且不允许高于800℃。为获得细晶组织，减轻晶间腐蚀和缺口敏感性，这类钢的始锻温度不宜过高，均低于1200℃。2、奥氏体不锈钢加热时不发生相变，始锻温度主要受到晶粒长大的限制。这类钢始锻温度一般都不超过1200℃。终锻温度，主要受碳化物析出敏化温度（480~820℃）的限制，所以，终锻温度一般都高于碳化物析出敏化温度区间，取825~850℃。3、马氏体不锈钢始锻温度受高温铁素体形成温度和铁素体形态的限制和影响。生产中确定始锻温度为1150℃。终锻温度随含碳量而异，高碳的一般取925℃，低碳的取850℃，均应高于钢的同素异构转变温度。3.2锻造温度范围4、沉淀硬化不锈钢根据变形程度的不同而有所差异。建议采用的锻造温度见表3-5。此类钢塑性最差，因此终锻温度不宜过低，不应低于950℃。其锻造温度范围只有200℃左右，因此，必须严格遵守锻造温度规范，以免产生裂纹等缺陷。3.2锻造温度范围3.3锻造工艺特点1、下料一般直径大于40mm棒材用圆盘锯切割下料，直径较小时可采用砂轮切割机。下料精度及表面粗糙度要求较高时，可用车床下料。圆盘锯切割机电动砂轮切割机车床下料2、毛坯加热不锈钢导热系数低于普通结构钢，要求加热速度低和保温时间长。可采用电炉或火焰炉。目前生产中考虑成本，多采用火焰炉，炉气气氛应保持中性或微氧化性。一般的，对于直径大于100mm的毛坯，均应采用两段式加热制度；在预热阶段保持800~850℃的炉温，减小加热速度；在加热和均热保温阶段，保持较高炉温（始锻温度上限），快速加热到始锻温度。3.3锻造工艺特点3.3锻造工艺特点棒料电加热炉火焰加热炉3.3锻造工艺特点3、润滑过去，不锈钢模锻的润滑和碳钢一样仅进行模具润滑。实际上，不锈钢模锻时的理想润滑方法应该与高温合金和钛合金一样；除对模具进行润滑外，还应该用玻璃润滑剂对毛坯进行润滑。3.3锻造工艺特点4、模锻不锈钢模锻时应注意以下环节：♠锻前应将模具预热至150~200℃，也可预热到300℃；♠锻造过程中（几乎每一道工步结束时）都要主要及时清理氧化皮及缺陷；一火不能锻成时，预锻之后仍需清理氧化皮；♠不锈钢黏性大，每次锻造捶击前，模具都必须润滑，并将润滑剂涂抹均匀，以免产生表面缺陷。5、切边不锈钢一般采用热切边，所需切边力较小，产生裂纹、毛刺等缺陷的可能性小。热切边温度不低于800℃，冷锻件切边时必须预热到900~950℃。3.3锻造工艺特点6、锻后冷却马氏体钢对冷却速度非常敏感，空冷时都会发生马氏体转变形成冷却应力，进而生成裂纹。

马氏体钢、马氏体-铁素体钢冷却方法：应采用缓冷，200℃炉膛中或石棉保温箱中，或转入600℃炉中保温并随炉冷却。在北方寒冷的冬季，最好炉冷或锻后立即退火，以防止开裂。

铁素体不锈钢：快速空冷。

奥氏体不锈钢：空冷后需加热到780~850℃进行再结晶退火，消除内应力。3.3锻造工艺特点7、表面清理不锈钢加热时同样会产生氧化皮，不厚但很坚硬，易使模具和刃具磨损。在制坯和终锻之间，机加工之前，都应清除氧化皮。

清理方法:酸洗和喷砂。锻件先经酸洗再进行喷砂，效果最佳。或进行滚筒打磨及手工打磨等通用的机械方法。喷砂机8、打炉批号标记许多不锈钢锻件为重要件或关键件，要求记录每个零件的制造历史、存档待查。因此每道工序需要打炉批号标记，一旦“混料”，就要作报废处理。3.3锻造工艺特点3.3锻造工艺特点9、模具设计特点不锈钢锻件及其模具设计与钢和特种合金模锻件大同小异。在两者之间，不锈钢模锻件和模具设计更接近高温合金模锻件。3.4锻件热处理♣铁素体型不锈钢热处理方式：再结晶退火,即将工件加热到再结晶温度以上保温一定时间后冷却，使其发生再结晶。目的是为了去除应力，均匀和稳定组织。由于铁素体不锈钢在加热或缓冷至475℃附近有α”析出，产生脆化现象（所谓475脆性），因此退火温度应避开次温度区。再结晶退火温度取在700~800℃，然后空冷。

退火组织：铁素体+少许碳化物。3.4锻件热处理♣马氏体型不锈钢退火目的：降低锻件或焊后零件的硬度，并提高塑性和韧性为精加工做准备，同时消除内应力防止开裂。退火温度不宜过高，防止大量合金元素与碳溶入奥氏体而更提高淬透性。

退火组织：富铬的铁素体和碳化物。淬火马氏体不锈钢中含有较多的难溶碳化物，所以淬火温度要比相变点高许多，才能使碳化物溶入奥氏体并扩散均匀。马氏体不锈钢淬透性高，可在空气或油中淬火。热处理工艺：退火、淬火+回火3.4锻件热处理回火为及时消除淬火产生的应力，避免在放置过程中由于内应力而引起的裂纹，马氏体不锈钢锻件淬火后要及时回火。间隔时间一般不超过4h。回火温度应选择在尽量避免脆性温度区（400℃~550℃）。♣奥氏体型不锈钢3.4锻件热处理1、固溶处理：固溶后，一般要进行快冷（水淬或空冷），以防止在冷却过程中析出碳化物而影响耐腐蚀性。2、稳定化处理：由于奥氏体不锈钢中的含钛量或铌的含量远小于铬含量，且钛原子尺寸大于铬原子，扩散速度低于铬原子，在450℃~850℃的温度区间有可能析出（Cr、Fe）23C6而产生晶间腐蚀；故常采用加热到高于（Cr、Fe）23C6的溶解温度、而又低于TiC的溶解温度的稳定化处理。固溶处理，指将合金加热到高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。3.4锻件热处理3.4锻件热处理3、应力松弛处理：冷加工产生的内应力可通过较低的温度退火（275~450℃，0.5~2h）予以消除；4、消除σ相的热处理：在高铬奥氏体钢含镍不足情况下，热处理时可能会产生σ相，使钢的αk值下降。避开σ相形成温度而加热至更高温度时，σ相可以转变成高温铁素体相而使韧性恢复。♣沉淀硬化不锈钢3.4锻件热处理1、固溶处理2、调整处理：目的是获得一定数量的马氏体，从而使钢强化，常采用以下几种方法:（1）中间时效法：固溶处理后再加热至745℃~775℃，保温90min，随后冷却到室温便得到马氏体+α铁素体+残余奥氏体组织，参与奥氏体在随后510℃时效才可分解完。（2）高温调整及深冷处理：固溶后，先加热到950℃保温90min。之后再经-70℃冷处理保温8h，就可得到一定量马氏体。3、时效处理3.4锻件热处理调整处理后，须进行时效处理。时效温度高于400℃，会从马氏体中析出金属间化合物（Ni3Ti等），呈高度弥散分布，起沉淀硬化作用。一般在500℃进行时效，可获得高强度及高硬度。（3）冷变形法：固溶处理后，在室温下冷变形，冷变形时形成马氏体数量与变形量及不锈钢的成分有关。一般变形量在15%~20%就能获得必要量的马氏体，过大变形量会使马氏体发生加工硬化。3.6锻件常见缺陷♣原材料带来的冶金缺陷

1、缩孔残余：位于锻件纵向主轴线上，有时贯穿整个锻件，在锻件端面表现为裂纹或孔洞，缺陷处富集大量夹杂，这是由于冶金厂未将冒口中的缩孔切除干净所致。2、夹杂、夹渣和异金属：不锈钢中过剩碳化物也属于夹杂。

3、成分偏析：合金化程度高，各种合金元素的熔点和密度差别大，熔炼温度过低、时间不够或搅拌不充分以及铸锭横截面积过大等原因导致。4、内部裂纹：指轴心晶间裂纹或应力裂纹。常出现在马氏体不锈钢锻件和大截面的坯料上。5、铁素体含量过多及其带状组织锻件中缩孔残余横向试片上的宏观形貌不锈钢锻件中的Ti偏析轴心晶间裂纹引起的锻造开裂3.6锻件常见缺陷晶粒粗大：晶粒过大会造成较大脆性，降低钢种的冲击韧性。δ铁素体增多：导致合金的工艺塑性降低，从而引起锻造开裂。低熔点化合物形成：含镍量较高的不锈钢应用不含硫的燃气加热，因硫渗入钢中与镍形成低熔点NiS或Ni+Ni3S2共晶体，锻造时易产生晶间裂纹。♣加热不当引起的缺陷不锈钢棒料，温度高，过烧3.6锻件常见缺陷♣锻造引起的缺陷模具结构设计不当引起的锻造裂纹金属流动过快、毛坯表面缺陷引起的锻造裂纹不锈钢管板，压下量大造成的开裂♣锻后冷却过程中形成的缺陷3.6锻件常见缺陷

冷却裂纹：马氏体不锈钢，若锻后冷却过快，由于锻件里外温差大产生较大的热应力，以及因不同时发生马氏体转变形成组织应力，容易使锻件产生冷却裂纹。碳化物析出及475℃脆性铁素体型不锈钢在475度附近停留时间过长，会产生脆化现象，将影响钢的力学性能和抗腐蚀性能，因此铁素体钢锻后应快冷。2Cr13马氏体钢锻件因冷却过快而引起的开裂×3203.6锻件常见缺陷♣锻件后处理缺