金属的加热与锻件的冷却

4.2.1金属的加热

加热的目的是提高金属的塑性和降低变形抗力，即提高金属的锻造性能。除少数具有良好塑性的金属可在常温下锻造成形外，大多数金属在常温下的锻造性能较差，造成锻造困难或不能锻造。但将这些金属加热到一定温度后，可以大大提高了塑性，并只需要施加较小的锻打力，便可使其发生较大的塑性变形，这就是热锻。

加热是锻造工艺过程中的一个重要环节，它直接影响锻件的质量。加热温度如果过高，会使锻件产生加热缺焰，甚至造成废品。因此，为了保证金属在变形时具有良好的塑性，又不致产生加热缺陷，锻造必须在合理的温度范围内进行。各种金属材料锻造时允许的最高加热温度称为该材料的始锻温度；终止锻造的温度称为该材料的终锻温度。

一、锻造加热设备

锻造加热炉按热源的不同，分为火焰加热炉和电加热炉两大类。  

图4-3  明火炉结构示意图

1-排烟筒  2-坯料  3-炉膛 4-炉蓖    5-风门  5-风管

1、  火焰加热炉  

采用烟煤、焦炭、重油、煤气等作为燃料。当燃料燃烧时，产生含有大量热能的高温火焰将金属加热。现介绍几种火焰加热炉。

（1）明火炉：将金属坯料置于以煤为燃料的火焰中加热的炉子，称为明火炉，又称为手锻炉。其结构如图4-3所示。由炉膛、炉罩、烟筒、风门和风管等组成。其结构简单，操作方便，但生产率低，热效率不高，加热温度不均匀和速度慢。在小件生产和维修工作中应用较多。锻工实习常使用这种炉子。因此，常用来加热手工自由锻及小型空气锤自由锻的坯料，也可用于杆形坯料的局部加热。

（2）油炉和煤气炉：这两种炉分别以重油和煤气为燃料，结构基本相同，仅喷嘴结构不同。油炉和煤气炉的结构形式很多，有室式炉、开隙式炉、推杆式连续炉和转底炉等。如图4-5所示，为室式重油加热炉示意图，由炉膛、喷嘴、炉门和烟道组成。其燃烧室和加热室合为一体，即炉膛。坯料码放在炉底板上。喷嘴布置在炉膛两侧，燃油和压缩空气分别进入喷嘴。压缩空气由喷嘴喷出时，将燃油带出并喷成雾状，与空气均匀混合并燃烧以加热坯料。用调节喷油量及压缩空气的方法来控制炉温的变化。这种加热炉用于自由锻，尤其是大型坯料和钢锭的加热，它的炉体结构比反射炉简单、紧凑，热效率高。

近年来，为提高锻件表面质量，通过控制燃烧炉气的性质，实现坯料的少或无氧化加热。如图4-6所示，为我国精锻生产中采用的一室二区敞焰少无氧化加热炉示意图。

  图4-5  室式重油炉示意图

图4-6  一室二区敞焰少无氧化加热炉示意图

2、  电加热炉

电加热炉有电阻加热炉、接触电加热炉和感应加热炉等，如图4-7所示。电阻炉是利用电流通过布置在炉膛围壁上的电热元件产生的电阻热为热源，通过辐射和对流将坯料加热的。炉子通常作成箱形，分为中温箱式电阻炉如图4-8所示和高温箱式电阻炉，如图4-9所示。

前者的发热体为电阻丝，如图4-8所示。最高工作温度950℃，一般用来加热有色金属及其合金的小型锻件；后者的发热体为硅碳棒，最高工作温度为1350℃，可用来加热高温合金的小型锻件。电阻加热炉操作方便，可精确控制炉温，无污染，但耗电量大，成本较高，在小批量生产或科研实验中广泛采用。

 

 

图4-7  电加热的方式

(a)电阻加热              (b)接触电加热        (c)感应加热

 

 

图4-8  箱式电阻炉示意图

1-炉门；2-电阻体；3-热电偶；4-工件

 

图4-9  红外箱式炉示意图  

1-踏杆 2-炉门 3-炉膛 4-温度传感器 

 5-硅碳棒冷端 6-硅碳棒热端 7-耐火砖 8-反射层  

二、锻造温度范围  

坯料开始锻造的温度（始锻温度）和终止锻造的温度（终锻温度）之间的温度间隔，称为锻造温度范围见表4-1。在保证不出现加热缺陷的前提下，始锻温度应取得高一些，以便有较充足的时间锻造成形，减少加热次数。在保证坯料还有足够塑性的前提下，终锻温度应选得低一些，以便获得内部组织细密、力学性能较好的锻件，同时也可延长锻造时间，减少加热次数。但终锻温度过低会使金属难以继续变形，易出现锻裂现象和损伤锻造设备。

1、锻造温度的控制方法

(1) 温度计法  通过加热炉上的热电偶温度计，显示炉内温度，可知道锻件的温度；也可以使用光学高温计观测锻件温度。

表4-1  常用钢材的锻造温度范围

材料种类	始锻温度表(℃)	终锻温度(℃)	材料种类	始锻温度(℃)	终锻温度(℃)
碳素结构钢 合金结构钢 碳素工具钢 合金工具钢 铝　合　金	1200-1250 1150-1200 1050-1150 1050-1150 450-500	800 800-850 750-800 800-850 350-380	高速工具钢 耐  热  钢 弹  簧  钢 轴  承  钢 铜　合　金	1100-1150 1100-1150 1100-1150 1080 800-900	900 800-850 800-850 800 650-700

 

(2) 目测法  实习中或单件小批生产的条件下可根据坯料的颜色和明亮度不同来判别温度，即用火色鉴别法见表4-2。

表4-2  碳钢温度与火色的关系

火色	黄白	淡黄	黄	淡红	樱红	暗红	赤褐
温度(℃)	1300	1200	1100	900	800	700	600

 

三、碳钢常见的加热缺陷

由于加热不当，碳钢在加热时可出现多种缺陷，碳钢常见的加热缺陷见表4-3。

表4-3  碳钢常见的加热缺陷

名称	实    质	危    害	防止（减少）措施
氧化	坯料表面铁元素氧化	烧损材料；降低锻件精度和表面质量；减少模具寿命	在高温区减少加热时间；采用控制炉气成分的少无氧化加热或电加热等。采用少装、勤装的操作方法。在钢材表面涂保护层
脱碳	坯料表层被烧损使含碳量减少	降低锻件表面硬度、变脆，严重时锻件边角处会产生裂纹
过热	加热温度过高，停留时间长造成晶粒粗大	锻件力学性能降低，须再经过锻造或热处理才能改善	过热的坯料通过多次锻打或锻后正火处理消除
过烧	加热温度接近材料熔化温度，造成晶粒界面杂质氧化	坯料一锻即碎，只得报废	正确地控制加热温度和保温的时间
裂纹	坯料内外温差太大，组织变化不匀造成材料内应力过大	坯料产生内部裂纹，并进一步扩展，导致报废	某些高碳或大型坯料，开始加热时应缓慢升温

4.2.2  锻件的冷却

热态锻件的冷却是保证锻件质量的重要环节。通常，锻件中的碳及合金元素含量越多，锻件体积越大，形状越复杂，冷却速度越要缓慢，否则会造成表面过硬不易切削加工、变形甚至开裂等缺陷。常用的冷却方法有三种，见表4-4。

表4-4  锻件常用的冷却方式

方  式	特         点	适   用   场   合
空  冷	锻后置空气中散放，冷速快，晶粒细化	低碳、低合金钢小件或锻后不直接切削加工件
坑冷（堆冷）	锻后置干沙坑内或箱内堆在一起，冷速稍慢	一般锻件，锻后可直接进行切削加工
炉  冷	锻后置原加热炉中，随炉冷却，冷速极慢	含碳或含合金成分较高的中、大型锻件，锻后可进行切削加工

4.2.3  锻件的热处理

在机械加工前，锻件要进行热处理，目的是均匀组织，细化晶粒，减少锻造残余应力，调整硬度，改善机械加工性能，为最终热处理做准备。常用的热处理方法有正火、退火、球化退火等。要根据锻件材料的种类和化学成分来选择。