关于锻造加热的影响因素

关于锻造加热的影响因素
（日）清水钢铁公司越古哲郎1、前言：
谚语有云：“趁热打铁”，也就是说锻造之前先要充分地加热钢锭（钢坯）。

加热到再结晶温度以上的高温后，钢的变形抗力会减小，塑性提高，易于锻造。

加热的好坏对于钢锭内部空隙的压合以及成形性能都有很大的影响。

另一方面,燃料费在锻造费用中所占的比例很大，特别是由于均热时间需与钢锭直径的平方成正比，所以在锻造大钢锭时，这部分费用所占比例显著增大。

所以从品质和费用两个方面看，有必要选择必须的最少限度的合理加热。

锻造加热的影响因素在软件方面是加热温度和加热时间，在硬件方面则是加热设备，本文主要阐述关于前者的观点以及相关的问题。

2、关于锻造加热温度
（1）最高加热温度：
钢的最高加热温度一般是指不会发生过热的温度，即如图1所示，比固相线温度（TSL）低一定程度（α）的温度。

图1 Fe-C平衡相图及最高加热温度
普通碳素钢以及如下范围内合金钢的最高加热温度可以用公式（1）和（2）简便地求出。

最高加热温度（Tmax）=固相线温度（T SL）-α (1)
T SL=(Fe-C相图的固相线温度)-20.5[%Si]-6.5[%Mn]-2.0[%Cr]
-11.5[%Ni]-5.5[%Al]-300[%P]-700[%S] (2)
公式（2）的适用范围如下（%）:
公式（1）中的α则随以下因素而变。

（a）钢锭的成分偏析引起的TSL的变化。

（b）炉内温度分布的不均匀程度。

（c）其他误差。

对T SL影响最大的是碳元素的偏析，公式（3）即Comon等人[2]提供的计算式可以作为参考。

（C M-C m）/C L×100%=D{2.81+4.31L/D+28.9[%Si]+805.8[%S]
+235.2[%P]-9.2[%Mo]-38.2[%V]} (3)
式中C M：钢锭本体最大含碳量（%）
C m：钢锭本体最小含碳量（%）
C L：钢包中钢液的含碳量（%）、
D：钢锭的平均直径（m）
L：钢锭本体的高度（m）
由公式（3）可见，钢锭越大，杂质元素对碳的偏析影响就越大。

考虑各种因素的作用后，一般α选择为150~200℃。

高合金钢和非铁金属等的最高加热温度不能参考平衡状态图，而最好在各种温度下进行高温拉伸试验（用Gleeble试验机），选择面缩率在大约50%以上的温度作为最高加热温度，表1给出了常见钢种的最高加热温度。

表1、常见钢种的最高加热温度。

（2）锻造加热温度
实际生产中常采用比最高加热温度低0～100℃的锻造加热温度。

对奥氏体钢（SUS 3XX等）而言，由于锻造变形量和加热温度是支配晶粒度的主要因素，所以最后成形火次的加热温度通常选择比最高加热温度低100~150℃，并保证留出30%以上的变形量。

含Ni的低合金钢（SNCM系列）若采用长时间高温加热，会沿晶界产生龟裂。

所以最后成形火次的加热温度应比最高加热温度低大约100℃，同时最好采用小变形量多火次锻造。

（3）过热与过烧。

过热是长时间高温加热时钢中奥氏体晶粒粗化，晶界成分已出现变化的状态。

但在过热温度以下的温度继续扩散加热时，组织又会回复正常。

加热温度更高时，晶界部分融化，析出硫化物，磷出现偏析的状态称为过烧，此时钢材已无法挽救了。

3.锻造加热时间
锻造加热时间的确定必须考虑如下各种条件：
①、原料的初始状态（冷锭还是热锭）
②、原料的形状、尺寸（热传导耗时）
③、原料的材质（热传导系数）
④、装入时的炉温
⑤、加热炉的各种特性。

（1）冷钢锭的加热时间。

冷锭加热时，为达到锻造充分的效果，并防止出现单面变形的情况（阴阳面），必须在适当温度均热透烧。

同时在大约550℃以下，钢材塑性不足的温度段应避免快速升温。

一般钢锭浇注后冷却时会有残余拉应力存在，再加上内部必然有一定缺陷，处于这种状态的钢锭在快速加热时由于钢锭内外层的温度差在内部产生拉伸热应力，达到一定程度就会引起内部开裂破断。

图2[4]示出了升温速度与所产生热应力的关系。

图2、升温速度与所产生的热应力的关系。

杨氏模量E：16000 kgf/mm2，
泊松比ν：0.33，
热膨胀系数α：16×10-6/℃，
导热率K：0.06cm2/S。

一般希望钢锭浇注凝固后能够带温锻造加热。

中碳钢、低合金钢以上钢类的直径约1000mm以上大锭型进行冷锭加热时，预先应根据钢种的不同或缓冷或退火处理。

并且钢锭在低温区加热最好选择容易控制升温速度的热处理炉或预热炉，经预热后再转入锻造加热炉中加热。

作为一般冷锭加热的标准，在实际操作中广泛采用斯坦福（Stanfield）公式的修正式[5]，即下列公式（4）。

此公式中第一阶段的加热时间t1的确定以控制由表面与中心温差产生的热应力（轴向最大）在20kgf/mm2以下为目标。

t1t2t3
↓↓↓
T=9.2D2+4.9D2+5.4D2 (4)
式中D：钢锭的平均直径；
T：总加热时间。

第一阶段（t1）：钢锭加热到500-550℃所用的时间。

第二阶段（t2）：从550℃加热到表面1200℃所用的时间。

第三阶段（t3）：表面达到1200℃后，心部烧透所用时间。

笔者对此公式加以修正后，整理出作业标准如表2。

表2：冷锭锻造加热时间标准示例
A、适用于碳素钢和低合金钢
T A=9.2D2+4.9D+5.4D2 (5)
B、适用于中合金钢
TB=a B(9.2D2+4.9D)+5.4D2 (6)
a B=1.3~1.7(考虑到导热率的系数)
C、适用于高合金钢、奥氏体钢
Tc=a c（9.2D2+4.9D）+5.4D2 (7)
a c =2.0
（* 以直径~Φ1100mm钢锭为例）表2中A类钢第一阶段在~600℃保温是为了缩小钢锭内外的温度差。

而公式（6）（7）中的a B、a C是考虑如下图3[6]所示导热率而附加的系数。

图3 各种钢的导热率随温度的变化
表2中C类钢在800~900℃增加一次保温，是由于这类钢在相变温度区有吸热反应，使内外温差增大，对直径较大的钢锭为缩小温差而采取的措施。

另外，对于为调整晶粒度而添加Al的钢种，在700~1000℃附近加热时在γ晶界会生成AlN，引起如图4所示的红脆现象。

对这类钢种，最好如表3所示，在AlN生成温度区域快速加热；而为使AlN 固溶，在1200附近增加保温时间。

图4 红脆与钢种酸溶Al含量的关系
表3加Al钢种的加热
（2）红热钢锭的初次加热时间
不明确“红热钢锭”的定义，就没有选择加热时间的标准。

注入锭模的钢液凝固需用时间见下列公式（8）[8]，再考虑浇注条件与钢锭形状的差异，给出若干富余时间，待充分凝固后转运到锻造工厂（车间）。

将脱模→搬运→装炉的钢锭转运时间限制在一定范围内，即可保证红送锭的表面温度。

笔者所在工厂通常保证红送锭装炉时底部的表面温度在400℃以上。

Ts=D2/155000 (8)
D：钢锭平均直径，mm
Ts：浇注结束至脱模的时间，h
这种钢锭（表面温度≥400℃）的锻造加热可采用前述冷锭加热时间标准的第二项和第三项，并如表4所示做适当修正。

表4 红热锭锻造加热时间标准示例
A’，适用于碳素钢和低合金钢
TA’=4.9D2+5.4D2 (9)
B’,适用于中合金钢
TB’=4.9a B D+5.4D2 (10)
a B =1.3-1.7
C’,适用于高合金钢、奥氏体钢
TC’=4.9a c D++5.4D2 (11)
a c=2.0
（*以直径~Φ1100钢锭为例）
也可以采用其它计算方法求出加热时间[9]，并通过实测[浇注-凝固-脱模-装炉-加热]全过程的热循环和温度分布进一步确立计算体系，从而可以用钢锭转运时间决定加热时间，图5[9]和图6[9]即为一例。

图5 钢锭转运时间与总加热时间的关系
图6 直径Φ1460mm钢锭的凝固、加热计算
（3）、锻造过程中红热坯料的再加热时间
锻造中红热坯料的表面温度一般只降到700~800℃，可以尽快装回原加热炉中快速加热。

如图7[10]所示，中间坯表面温度下降到400~500℃时，心部温度只降低50~150℃，并且坯料直径越大下降越少。

这种表面温度在700℃以上的中间坯在加热时，只需按表2中第3项（t3）保温，即可实现充分的加热。

（4）.按锭/坯形状修正加热时间。

锻坯常为方形或扁方形，此时以无限长圆柱为1.0，应考虑乘以相应的形状系数确保加热时间，方坯加热系数约为1.25，扁方坯（平板）的系数约为1.5.如图8[11]所示。

图8 心部升温所用时间与坯料形状的关系。