鍛件形變熱處理常用方法以及工藝參數

鍛造變形和熱處理緊密結合到一起， 稱為形變熱處理。 形變熱處理不但可以縮短生產週期、提高生產率、節約能源， 更重要的， 是形變熱處理具有變形強化和熱處理強化的雙重作用， 可以使鍛件獲得良好的綜合力學性能-高強度和高塑性， 這是單一鍛造或單一熱處理所不能達到的。 所以， 形變熱處理工藝得到了越來越普遍的應用。

常用的鍛件形變熱處理方法有高溫形變淬火和低溫形變淬火。

將鋼加熱至奧氏體區保溫一定時間， 激冷到某一中間溫度， 在此溫度進行變形， 然後淬火以獲得馬氏體組織。

為了獲得良好的綜合力學性能， 要求鋼的過冷奧氏體具有較高的穩定性， 一般適用于中、高合金鋼。 用於要求強度很高的鍛件， 如飛機起落架、模具、沖頭等。

1.強化作用：低溫形變淬火加上適當的回火處理， 能夠使鋼在保持塑性幾乎不下降的條件下， 大幅度地提高屈服極限和抗拉強度。 研究結果表明， 抗拉強度可提高300~700Pa。 甚至達到1000Pa， 使鍛件獲得高強度、高塑性的組合。 此外， 低溫形變淬火還能提高鋼在高溫下的暫態抗拉強度。

低溫形變淬火的強化機理有：馬氏體的細節；形變奧氏體中的位元錯等點陣缺陷被馬氏體所繼承；馬氏體中密度很大的位元錯被碳化物等所強固釘紮；奧氏體形變引起合金碳化物有某種程度的析出。

2.工藝參數：奧氏體溫度越低， 奧氏體的晶粒越細， 碳化物溶解擴散不充分， 奧氏體濃度均勻， 這種組織的不均勻性， 為以後變形時碳化物的析出， 和溶質原子向位錯集聚提供了有利的條件， 從而使強度提高。 因此在可能的條件下， 應該儘量採用較低的奧氏體溫度。 以合金碳化物剛剛溶解， 而奧氏體晶粒又不嚴重粗化為宜。

變形溫度低， 強化效果大， 但塑性、韌性有所下降。 當變形溫度過低時， 在變形過程中或鍛後冷卻中形成貝氏體， 強化效果顯著降低。 因此， 一般將變形溫度選擇在亞穩奧氏體足夠穩定的溫度區間之內。

變形程度大， 強化效果顯著。 一般要求變形程度在60%~70%以上。 低溫下一次實現大變形是困難的，

但是多次進行小變形並伴隨中間加熱， 也可以得到很好的效果。

將鋼加熱至穩定奧氏體區保溫一段時間， 在該溫度進行變形， 利用鍛後餘熱直接淬火， 獲得馬氏體組織。 高溫形變淬火對材料無特殊要求， 各種碳鋼、合金結構鋼鍛件都可以應用， 例如連杆、曲軸、葉片、彈簧等；通常的鍛造條件都可以實現， 容易設置於生產流程中。

1.強韌化效果：高溫形變淬火加上適當的回火處理， 可以在提高鋼的強度的同時， 顯著改善鋼的塑性與韌性， 提高鋼的抗脆斷能力， 從而提高零件在複雜強載荷下工作的可靠性。 目前高溫形變淬火達到的力學性能指標：抗拉強度2100~2700Pa， 屈服強度1900~2300Pa,延伸率7%~10%， 端面收縮率25%~40%。

高溫形變淬火與低溫形變淬火的強化機理有許多相同之處，

如馬氏體細化、碳化物相的析出、點陣缺陷的繼承等。 但是， 兩者變形溫度不同， 強化機理也有其不同之處。 根據研究結果， 鋼在高溫變形時， 形變奧氏體所獲得的錯位， 其密度雖然因高溫的作用有所減少， 但同時卻發生位元錯結構的重新排列-多變化的結果。 多變化的結果， 分散在晶粒內部的雜亂位錯大部分小時， 代之以穩定性極高的亞晶組織， 即由位元錯牆構成的網路組織；同時， 過高的應力集中區域也在位錯的熱運動中消失。 這種網路位元錯結構以及晶內應力集中去除， 是非常理想的組織狀態。 隨即進行淬火而獲得馬氏體組織， 此馬氏體組織繼承了這種良好的組織而細化， 而後再加以適當的回火處理， 就可以在提高鍛件強度的同時， 保持良好的組織而細化， 而後再加以適當的回火處理， 就可以在提高鍛件強度的同時， 保持良好的塑性和韌性。 而一般的淬火回火處理常會帶來著塑性的下降。

2.工藝參數：變形溫度在高於規定的穩定奧氏體區。 由於變形溫度高於規定的穩定奧氏體區。 由於變形溫度高， 形變強化效果低， 因此變形溫度盡可能低些。 一般來說， 變形速度不能過小。 各種鋼在一定的變形溫度和變形程度下， 存在著對應於最佳強化效果的最佳變形速度。

變形程度的影響有兩種情況， 其一， 高溫形變淬火後的力學性能隨變形程度呈線性增減；其二， 實在性能變形程度曲線上出現極值（極大或極小）。 對於大多數的鋼種，最佳變形程度約為25%~40%，繼續增大變形程度，強化效果不再增加反而下降。

變形後到淬火之間的時間間隔會影響鍛件的組織和性能。對於碳鋼及低合金鋼來說，通常要求在變形結束後立即淬火，因為這類鋼的錯位重新排列比較容易，在熱變形過程中就已經完成動態多邊化，立即淬火便固定了動態多邊化的組織狀態，可以獲得良好的強度與塑性的組合；但是對於中、高和精鋼，變形結束時處於加工硬化狀態，為了能較好進行多邊化過程，變形後需要等一段時間再淬火。

變形淬火後的回火處理，對高強度結構鋼鍛件，多採用低溫回火（100~200℃），以獲得回火馬氏體組織；對塑性要求高，或在低、高溫下工作的鍛件，則進行高溫回火，以獲得回火索氏體組織。

例如某些柴油機40Cr鋼連杆生產過程，原生產工藝有十道工序，需要六次加熱；採用高溫形變淬火工藝，簡化為六道工序，兩次加熱，與普通調質處理後的連杆性能比較，強度極限提高2.4%，斷面收縮率提高4.5%，延伸率提高11%，衝擊韌性提高27.6%。

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對於大多數的鋼種，最佳變形程度約為25%~40%，繼續增大變形程度，強化效果不再增加反而下降。

變形後到淬火之間的時間間隔會影響鍛件的組織和性能。對於碳鋼及低合金鋼來說，通常要求在變形結束後立即淬火，因為這類鋼的錯位重新排列比較容易，在熱變形過程中就已經完成動態多邊化，立即淬火便固定了動態多邊化的組織狀態，可以獲得良好的強度與塑性的組合；但是對於中、高和精鋼，變形結束時處於加工硬化狀態，為了能較好進行多邊化過程，變形後需要等一段時間再淬火。

變形淬火後的回火處理，對高強度結構鋼鍛件，多採用低溫回火（100~200℃），以獲得回火馬氏體組織；對塑性要求高，或在低、高溫下工作的鍛件，則進行高溫回火，以獲得回火索氏體組織。

例如某些柴油機40Cr鋼連杆生產過程，原生產工藝有十道工序，需要六次加熱；採用高溫形變淬火工藝，簡化為六道工序，兩次加熱，與普通調質處理後的連杆性能比較，強度極限提高2.4%，斷面收縮率提高4.5%，延伸率提高11%，衝擊韌性提高27.6%。

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