第三章不銹鋼鍛造

1、第三章 不銹鋼鍛造主講：耿佩主講：耿佩西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空材料工程學(xué)院主要內(nèi)容主要內(nèi)容不銹鋼不銹鋼可鍛性和鍛造溫度范圍可鍛性和鍛造溫度范圍鍛造工藝特點鍛造工藝特點鍛件熱處理鍛件熱處理鍛件常見缺陷鍛件常見缺陷3.1不銹鋼不銹鋼什么是不銹鋼？什么是不銹鋼？ 在空氣、水、鹽的水溶液、酸以及其它腐蝕介質(zhì)中具有高度化學(xué)穩(wěn)定性的鋼種。從化學(xué)成分來看，不銹鋼中含鉻量都較高。因為在大氣條件下，鋼中含鉻量大于12%時，基本上不會生銹，因此習(xí)慣上將含鉻量超過12%的鋼稱為不銹鋼。原因：原因： 鉻在鐵的表面形成氧化膜，保護(hù)表皮下面的金屬免遭腐蝕，使鐵表面“鈍化”。3.1不銹鋼不銹鋼 不銹鋼中主要合金元素及其作

2、用不銹鋼中主要合金元素及其作用加入鎳及鉻：控制奧氏體相的穩(wěn)定性及改善耐蝕性和抗氧化性；加入鎳及鉻：控制奧氏體相的穩(wěn)定性及改善耐蝕性和抗氧化性；加入硅及鋁：增進(jìn)抗氧化及抗?jié)B碳性能；加入硅及鋁：增進(jìn)抗氧化及抗?jié)B碳性能；加入鈦及鈮或降低含碳量：消除或降低晶間腐蝕傾向，因鈦或鈮可與碳形成穩(wěn)定的碳化物。加入鉬：增加耐蝕性，特別是對含氯離子介質(zhì)的點腐蝕；加入鉬：增加耐蝕性，特別是對含氯離子介質(zhì)的點腐蝕；加入銅：提高對硫酸的腐蝕性；加入銅：提高對硫酸的腐蝕性；加入硫、硒或鉛：改進(jìn)切削加工性能；加入稀土元素：改善熱加工性能；加入錳：可部分代替鎳，擴(kuò)大相區(qū)；加入釩、鎢、硼、鐵、氮等：提高熱強(qiáng)性；3.1不銹鋼不銹

3、鋼 鐵素體不銹鋼鐵素體不銹鋼 含鉻13%30%，C%小于0.12%，具有鐵素體組織，典型牌號有：1Cr17,1Cr17Ti,0Cr17Mo2Ti,1Cr25等。在鍛造加熱或冷卻過程中無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。 力學(xué)性能很少因為熱處理而發(fā)生改變，僅有的熱處理方式僅有的熱處理方式為退火為退火，用于冷加工后。 馬氏體不銹鋼馬氏體不銹鋼 含鉻12%18%，C%為0.1%1%。一般當(dāng)含鉻量超過約當(dāng)含鉻量超過約12%時，鋼才會鈍化而不銹時，鋼才會鈍化而不銹。如圖，馬氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼含鉻量有重合的區(qū)域15%18%,具體屬于哪一種，以含碳量多少來決定。3.1不銹鋼不銹鋼 馬氏體不銹鋼的耐蝕性取決于含鉻量馬氏體不

4、銹鋼的耐蝕性取決于含鉻量。典型牌號為 型，而鋼中的碳與鉻能形成穩(wěn)定的碳化鉻，又間接影響了鋼的耐蝕性，所以在Cr%為13%的鋼中，含碳量越低，耐蝕性越好。 奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼 含鎳6%22%，含鉻16%25%的三元合金，不能通過熱不能通過熱處理而強(qiáng)化處理而強(qiáng)化。 提高奧氏體強(qiáng)度途徑：冷加工。冷加工時加工硬化是由于部分奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體而造成。 奧氏體不銹鋼在室溫下保持為奧氏體組織奧氏體不銹鋼在室溫下保持為奧氏體組織，塑性好，耐腐蝕性也比鐵素體不銹鋼好。3.1不銹鋼不銹鋼 沉淀硬化不銹鋼沉淀硬化不銹鋼 含鉻10%30%，同時含有一定量的鎳和鉬元素。最重最重要的性能是強(qiáng)度高，高溫性能好。要的性

5、能是強(qiáng)度高，高溫性能好。半奧氏體型半奧氏體型 在退火狀態(tài)下，基本上是奧氏體，但通過簡單的熱處理或形變熱處理就能轉(zhuǎn)變成馬氏體。馬氏體型：馬氏體型： 在固溶、退火狀態(tài)下的硬度較高。3.1不銹鋼不銹鋼 不銹鋼牌號表示法不銹鋼牌號表示法（1）牌號最前端的數(shù)字表示千分之幾的含碳量（1個0表示含碳量0.09%，2個0表示含碳量0.03%）；（2）每個元素符號后面的數(shù)字表示百分之幾的平均元素含量，平均合金元素含量小于1.5%時，在鋼號中僅標(biāo)明元素符號，不標(biāo)明數(shù)字；（3）平均合金元素含量1.5%，2.5%，3.5%，.，23.5%，.時，相應(yīng)地寫成2，3，4，.，24，.；（4）平均合金元素含量為1.50%2

6、.49%，2.50%3.49%，22.50%23.49%，.時，相應(yīng)地寫成2，3，.，23等。舉例舉例：0Cr17Ni4Cu4Nb表示含碳量小于表示含碳量小于0.09%，平均含有平均含有17%的的Cr元素，元素，4%的鎳元素的鎳元素（或或3.50%4.49%），4%的銅元素的銅元素（或或3.50%4.49%）和小于和小于1.5%的鈮元素。的鈮元素。3.1不銹鋼不銹鋼練習(xí)鞏固：練習(xí)鞏固： 1Cr13Ni 4Cr10Si2Mo 0Cr15Ni5Cu2Ti3.1不銹鋼不銹鋼 不銹鋼的使用特性不銹鋼的使用特性1.抗腐蝕能力強(qiáng)抗腐蝕能力強(qiáng) 在大氣、水、海水、酸及其他腐蝕性介質(zhì)中的化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，有耐酸不銹

7、鋼、抗氧化不銹鋼和熱強(qiáng)不銹鋼之分。2.中溫性能優(yōu)良中溫性能優(yōu)良 熱強(qiáng)不銹鋼在600以下的耐蝕性、抗氧化和力學(xué)性能優(yōu)于鋁合金和結(jié)構(gòu)鋼，與鈦合金相當(dāng)，而且具有良好的室溫和高溫塑性及可鍛性。3.硬度和耐磨性高硬度和耐磨性高 高硬度不銹鋼不僅有良好的耐蝕性，還具有很高的硬度和耐磨性及較好的韌性，適于制造在腐蝕環(huán)境中工作的耐磨零件。4.切削性能差切削性能差 5.綜合性能優(yōu)異綜合性能優(yōu)異6.性能價格比高性能價格比高 單位質(zhì)量的價格低于相當(dāng)性能水平的高溫合金和鈦合金。3.2 鍛造溫度范圍鍛造溫度范圍 不銹鋼的鍛造溫度范圍不銹鋼的鍛造溫度范圍1、鐵素體不銹鋼 鐵素體不銹鋼鍛件晶粒度主要取決于始鍛和終鍛溫度以及

8、終鍛時的變形量。其再結(jié)晶溫度比較低，終鍛溫度可以低至700，生產(chǎn)上定為720800，且不允許高于800。為獲得細(xì)晶組織，減輕晶間腐蝕和缺口敏感性，這類鋼的始鍛溫度不宜過高，均低于1200。2、奧氏體不銹鋼 加熱時不發(fā)生相變，始鍛溫度主要受到晶粒長大的限制。這類鋼始鍛溫度一般都不超過1200。終鍛溫度，主要受碳化物析出敏化溫度（480820）的限制，所以，終鍛溫度一般都高于碳化物析出敏化溫度區(qū)間，取825850。3、馬氏體不銹鋼 始鍛溫度受高溫鐵素體形成溫度和鐵素體形態(tài)的限制和影響。生產(chǎn)中確定始鍛溫度為1150。終鍛溫度隨含碳量而異，高碳的一般取925，低碳的取850，均應(yīng)高于鋼的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫

9、度。3.2 鍛造溫度范圍鍛造溫度范圍4、沉淀硬化不銹鋼 根據(jù)變形程度的不同而有所差異。建議采用的鍛造溫度見表3-5。此類鋼塑性最差，因此終鍛溫度不宜過低，不應(yīng)低此類鋼塑性最差，因此終鍛溫度不宜過低，不應(yīng)低于于950。其鍛造溫度范圍只有200左右，因此，必須嚴(yán)格遵守鍛造溫度規(guī)范，以免產(chǎn)生裂紋等缺陷。3.2 鍛造溫度范圍鍛造溫度范圍3.3鍛造工藝特點鍛造工藝特點1、下料下料 一般直徑大于40mm棒材用圓盤鋸切割下料，直徑較小時可采用砂輪切割機(jī)。下料精度及表面粗糙度要求較高時，可用車床下料。圓盤鋸切割機(jī)圓盤鋸切割機(jī)電電動動砂砂輪輪切切割割機(jī)機(jī)車車床床下下料料2、毛坯加熱毛坯加熱 不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)低于普

10、通結(jié)構(gòu)鋼，要求加熱速度低和保溫時間長。 可采用電爐或火焰爐。目前生產(chǎn)中考慮成本，多采用火焰爐，爐氣氣氛應(yīng)保持中性或微氧化性。 一般的，對于直徑大于100mm的毛坯，均應(yīng)采用兩段式加熱制度；在預(yù)熱階段保持800850的爐溫，減小加熱速度；在加熱和均熱保溫階段，保持較高爐溫（始鍛溫度上限），快速加熱到始鍛溫度。3.3鍛造工藝特點鍛造工藝特點3.3鍛造工藝特點鍛造工藝特點棒料電加熱爐棒料電加熱爐火焰加熱爐火焰加熱爐3.3鍛造工藝特點鍛造工藝特點3、潤滑潤滑 過去，不銹鋼模鍛的潤滑和碳鋼一樣僅進(jìn)行模具潤滑。實際上，不銹鋼模鍛時的理想潤滑方法應(yīng)該與高溫合金和鈦合金一樣；除對模具進(jìn)行潤滑外，還應(yīng)該用玻璃潤

11、滑劑對毛坯進(jìn)行潤滑。3.3鍛造工藝特點鍛造工藝特點4、模鍛模鍛不銹鋼模鍛時應(yīng)注意以下環(huán)節(jié)： 鍛前應(yīng)將模具預(yù)熱至150200，也可預(yù)熱到300； 鍛造過程中（幾乎每一道工步結(jié)束時）都要主要及時清理氧化皮及缺陷；一火不能鍛成時，預(yù)鍛之后仍需清理氧化皮； 不銹鋼黏性大，每次鍛造捶擊前，模具都必須潤滑，并將潤滑劑涂抹均勻，以免產(chǎn)生表面缺陷。5、切邊切邊 不銹鋼一般采用熱切邊，所需切邊力較小，產(chǎn)生裂紋、毛刺等缺陷的可能性小。熱切邊溫度不低于800，冷鍛件切邊時必須預(yù)熱到900950。3.3鍛造工藝特點鍛造工藝特點6、鍛后冷卻鍛后冷卻 馬氏體鋼對冷卻速度非常敏感，空冷時都會發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變形成冷卻應(yīng)力，進(jìn)而

12、生成裂紋。 馬氏體鋼、馬氏體-鐵素體鋼冷卻方法：應(yīng)采用緩冷，200爐膛中或石棉保溫箱中，或轉(zhuǎn)入600爐中保溫并隨爐冷卻。在北方寒冷的冬季，最好爐冷或鍛后立即退火，以防止開裂。 鐵素體不銹鋼：快速空冷。 奧氏體不銹鋼：空冷后需加熱到780850進(jìn)行再結(jié)晶退火，消除內(nèi)應(yīng)力。3.3鍛造工藝特點鍛造工藝特點7、表面清理表面清理 不銹鋼加熱時同樣會產(chǎn)生氧化皮，不厚但很堅硬，易使模具和刃具磨損。在制坯和終鍛之間，機(jī)加工之前，都應(yīng)清除氧化皮。 清理方法:酸洗和噴砂。鍛件先經(jīng)酸洗再進(jìn)行噴砂，效果最佳。或進(jìn)行滾筒打磨及手工打磨等通用的機(jī)械方法。噴砂機(jī)噴砂機(jī)8、打爐批號標(biāo)記打爐批號標(biāo)記 許多不銹鋼鍛件為重要件或關(guān)

13、鍵件，要求記錄每個零件的制造歷史、存檔待查。因此每道工序需要打爐批號標(biāo)記，一旦“混料”，就要作報廢處理。3.3鍛造工藝特點鍛造工藝特點3.3鍛造工藝特點鍛造工藝特點9、模具設(shè)計特點模具設(shè)計特點 不銹鋼鍛件及其模具設(shè)計與鋼和特種合金模鍛件大同小異。在兩者之間，不銹鋼模鍛件和模具設(shè)計更接近高溫合金模鍛件。3.4鍛件熱處理鍛件熱處理 鐵素體型不銹鋼鐵素體型不銹鋼 熱處理方式：再結(jié)晶退火,即將工件加熱到再結(jié)晶溫度以上保溫一定時間后冷卻，使其發(fā)生再結(jié)晶。目的是為了去除應(yīng)力，均勻和穩(wěn)定組織。由于鐵素體不銹鋼在加熱或緩冷至475附近有”析出，產(chǎn)生脆化現(xiàn)象（所謂475脆性），因此退火溫度應(yīng)避開次溫度區(qū)。再結(jié)晶

14、退火溫度取在700800，然后空冷。 退火組織：鐵素體+少許碳化物。3.4鍛件熱處理鍛件熱處理 馬氏體型不銹鋼馬氏體型不銹鋼退火退火 目的：降低鍛件或焊后零件的硬度，并提高塑性和韌性為精加工做準(zhǔn)備，同時消除內(nèi)應(yīng)力防止開裂。 退火溫度不宜過高，防止大量合金元素與碳溶入奧氏體而更提高淬透性。 退火組織：富鉻的鐵素體和碳化物。淬火淬火 馬氏體不銹鋼中含有較多的難溶碳化物，所以淬火溫度要比相變點高許多，才能使碳化物溶入奧氏體并擴(kuò)散均勻。馬氏體不銹鋼淬透性高，可在空氣或油中淬火。熱處理工藝：退火、淬火+回火3.4鍛件熱處理鍛件熱處理回火回火 為及時消除淬火產(chǎn)生的應(yīng)力，避免在放置過程中由于內(nèi)應(yīng)力而引起的裂

15、紋，馬氏體不銹鋼鍛件淬火后要及時回火。間隔時間一般不超過4h?；鼗饻囟葢?yīng)選擇在盡量避免脆性溫度區(qū)（400550）。 奧氏體型不銹鋼奧氏體型不銹鋼3.4鍛件熱處理鍛件熱處理1、固溶處理：固溶后，一般要進(jìn)行快冷（水淬或空冷），以防止在冷卻過程中析出碳化物而影響耐腐蝕性。2、穩(wěn)定化處理：由于奧氏體不銹鋼中的含鈦量或鈮的含量遠(yuǎn)小于鉻含量，且鈦原子尺寸大于鉻原子，擴(kuò)散速度低于鉻原子，在450850的溫度區(qū)間有可能析出（Cr、Fe）23C6而產(chǎn)生晶間腐蝕；故常采用加熱到高于（Cr、Fe）23C6的溶解溫度、而又低于TiC的溶解溫度的穩(wěn)定化處理。 固溶處理，指將合金加熱到高溫單相區(qū)恒溫保持，使過剩相充分溶解

16、到固溶體中后快速冷卻，以得到過飽和固溶體的熱處理工藝。3.4鍛件熱處理鍛件熱處理3.4鍛件熱處理鍛件熱處理3、應(yīng)力松弛處理：冷加工產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力可通過較低的溫度退火（275450，0.52h）予以消除；4、消除相的熱處理：在高鉻奧氏體鋼含鎳不足情況下，熱處理時可能會產(chǎn)生相，使鋼的k值下降。避開相形成溫度而加熱至更高溫度時，相可以轉(zhuǎn)變成高溫鐵素體相而使韌性恢復(fù)。 沉淀硬化不銹鋼沉淀硬化不銹鋼3.4鍛件熱處理鍛件熱處理1、固溶處理固溶處理2、調(diào)整處理：調(diào)整處理：目的是獲得一定數(shù)量的馬氏體，從而使鋼強(qiáng)化，常采用以下幾種方法:（1）中間時效法：固溶處理后再加熱至745775，保溫90min，隨后冷卻到室

17、溫便得到馬氏體+鐵素體+殘余奧氏體組織，參與奧氏體在隨后510時效才可分解完。（2）高溫調(diào)整及深冷處理：固溶后，先加熱到950保溫90min。之后再經(jīng)-70冷處理保溫8h，就可得到一定量馬氏體。3、時效處理時效處理3.4鍛件熱處理鍛件熱處理 調(diào)整處理后，須進(jìn)行時效處理。時效溫度高于400，會從馬氏體中析出金屬間化合物（Ni3Ti等），呈高度彌散分布，起沉淀硬化作用。 一般在500進(jìn)行時效，可獲得高強(qiáng)度及高硬度。（3）冷變形法：固溶處理后，在室溫下冷變形，冷變形時形成馬氏體數(shù)量與變形量及不銹鋼的成分有關(guān)。一般變形量在15%20%就能獲得必要量的馬氏體，過大變形量會使馬氏體發(fā)生加工硬化。3.6鍛件

18、常見缺陷鍛件常見缺陷 原材料帶來的冶金缺陷原材料帶來的冶金缺陷 1、縮孔殘余：位于鍛件縱向主軸線上，有時貫穿整個鍛件，在鍛件端面表現(xiàn)為裂紋或孔洞，缺陷處富集大量夾雜，這是由于冶金廠未將冒口中的縮孔切除干凈所致。 2、夾雜、夾渣和異金屬：不銹鋼中過剩碳化物也屬于夾雜。 3、成分偏析：合金化程度高，各種合金元素的熔點和密度差別大，熔煉溫度過低、時間不夠或攪拌不充分以及鑄錠橫截面積過大等原因?qū)е隆?4、內(nèi)部裂紋：指軸心晶間裂紋或應(yīng)力裂紋。常出現(xiàn)在馬氏體不銹鋼鍛件和大截面的坯料上。 5、鐵素體含量過多及其帶狀組織鍛件中縮孔殘余橫向試片上的宏觀形貌鍛件中縮孔殘余橫向試片上的宏觀形貌不銹鋼鍛件中的不銹鋼鍛

19、件中的Ti偏析偏析軸心晶間裂紋引起的鍛造開裂軸心晶間裂紋引起的鍛造開裂3.6鍛件常見缺陷鍛件常見缺陷晶粒粗大：晶粒過大會造成較大脆性，降低鋼種的沖擊韌性。鐵素體增多：導(dǎo)致合金的工藝塑性降低，從而引起鍛造開裂。低熔點化合物形成：含鎳量較高的不銹鋼應(yīng)用不含硫的燃?xì)饧訜?，因硫滲入鋼中與鎳形成低熔點NiS或Ni+Ni3S2共晶體，鍛造時易產(chǎn)生晶間裂紋。 加熱不當(dāng)引起的缺陷加熱不當(dāng)引起的缺陷不銹鋼棒料，溫度高，過燒不銹鋼棒料，溫度高，過燒3.6鍛件常見缺陷鍛件常見缺陷 鍛造引起的缺陷鍛造引起的缺陷模具結(jié)構(gòu)設(shè)計不當(dāng)引起的鍛造裂紋金屬流動過快、毛坯表面缺陷引起的鍛造裂紋不銹鋼管板，壓下量大造成的開裂不銹鋼管

20、板，壓下量大造成的開裂 鍛后冷卻過程中形成的缺陷鍛后冷卻過程中形成的缺陷3.6鍛件常見缺陷鍛件常見缺陷 冷卻裂紋：馬氏體不銹鋼，若鍛后冷卻過快，由于鍛件里外溫差大產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，以及因不同時發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變 形成組織應(yīng)力，容易使鍛件產(chǎn)生冷卻裂紋。碳化物析出及475脆性 鐵素體型不銹鋼在475度附近停留時間過長，會產(chǎn)生脆化現(xiàn)象，將影響鋼的力學(xué)性能和抗腐蝕性能，因此鐵素體鋼鍛后應(yīng)快冷。2Cr13馬氏體鋼鍛件因冷卻馬氏體鋼鍛件因冷卻過快而引起的開裂過快而引起的開裂3203.6鍛件常見缺陷鍛件常見缺陷 鍛件后處理缺陷鍛件后處理缺陷 切割裂紋：未經(jīng)退火消除應(yīng)力的不銹鋼鍛件，特別是馬氏體不銹鋼鍛件，當(dāng)采用砂輪切割機(jī)切割時，若切割送盡量太大，切割應(yīng)力、冷