镍基高温合金锻件的热处理

叶旭挺

　　在锻造中常用可锻性这一名词表示金属材料在锻造时变形的难易程度。可锻性一般用塑性和变形抗力两个指标来衡量。高温下塑性好、变形抗力低的钢或合金，较容易锻造，由可锻性好；而塑性差、变形抗力大的钢或合金，锻造时易产生裂纹等缺陷，或所需设备吨位较大，锻造较困难，故可锻性差。在国外常评价各种钢及合金的相对可锻性。相应可锻性是基于各种合金在各自锻造温度范围内每消耗单位能量所得到的变形量，同时还考虑了合金在锻造工艺条件下达到规定的急剧变形程度的困难性以及断裂倾向性。可锻性对锻件成形和锻件质量有重要影响，了解和研究各种金属材料的可锻性，对于正确制定锻造工艺和确定锻造设备吨位具有重要意义。1.杂质及合金元素对钢的塑性影响
' t3 w' L6 F' U* m8 ^+ R　　钢的高温塑性除与冶金质量和锻造热参数等因素有关外，主要取决于它的化学成分。
　　硫在固溶体中的溶解度极小，在钢中常以FeS的形式存在，FeS与Fe形成低熔点(约985℃)共晶体，分布于晶界，当钢在800～1200℃进行锻造时，会因晶界发生熔化而开裂，呈热脆性，因而限制钢中的硫含量在0.03%以下。
* y4 x% \  D8 Y9 ~! y# |: p　　磷可溶于铁素体，使钢的强度、硬度提高，但使其塑性、韧性显著下降，尤其在低温时要为严重，即使钢呈现冷脆性。
" ~. C# F5 y" B( {  o. ^8 h+ W　　氮可溶于铁素体，当钢快冷后在200～250℃加热时，会有氮化物析出，使钢的硬度、强度上升，塑性、韧性大为下降，即使钢呈现蓝脆性(时效脆性)。
　　氧在钢中形成的氧化物夹杂如MnO,SiO2,Al2O3等，它们的熔点高，硬而脆，其数量、大小及分布情况对钢的塑性有一定影响。而FeO与FeS可形成低熔点(约930℃)共晶体，加剧钢的热脆性。
  Y/ Y, U/ J2 v* _　　氢含量高的钢锻造时易产生龟裂，并在冷却过程中易形成白点等缺陷。
　　碳在锻造温度范围内，若能全部溶入奥氏体，则对钢的塑性影响不大。只有当钢的含碳量较高时，由于较多渗碳体甚至莱氏体从固溶体中析出，钢的塑性才大为下降。
　　锰在钢中可优先形成MnS(熔点为1620℃)，从而减小钢的热脆性。当锰含量大于0.8%时，作为合金元素，促进晶粒长大，使钢容易产生过热。
　　镍在冶炼过程中可提高钢的吸气能力，尤其是吸收氢的能力，促进钢中形成气泡或产生裂纹。镍与钢中的硫易结合形成低熔点共晶体(Ni3S2—Ni)，熔点约为640℃，分布于晶界上，在锻造时引起热脆性。
　　铬是铁素体形成元素，铁素体型的高铬钢晶粒长大倾向大，容易产生过热。当含碳量少时，所有的铬钢(一直到30%)塑性都是好的，可以顺利地进行锻造。
　　钨是典型的碳化物形成元素，主要通过它所形成的碳化物起作用，钨对钢塑性的影响视其形成碳化物的数量、大小和分布而定。
　　钒能细化晶粒，在高温下阻止晶粒长大，是一种显著提高钢的高温塑性的元素。但当钒的含量超过它在r—Fe中的溶解度时，将引起晶粒粗化，塑性降低。
　　钼的碳化物在高温下难于溶解，可阻碍晶粒长大，减轻过热倾向。若钼与硫结合形成MoS，因MoS的熔点较低(1100～1200℃)，且其共晶体沿晶界分布呈网状，锻造时容易沿晶界产生裂纹。
　　铜在钢或合金中，若不溶于固溶体时，便成为游离铜，游离铜在高温下沿晶界扩散，当锻造温度高于铜的熔点(1080℃)时，因铜液破坏了晶粒间的连续性，将导致发生裂纹或龟裂。
. J% d! F( c, g　　钛与硫形成TiS，其熔点高于FeS，可减轻高硫钢的热脆性。
4 c& J: X; `0 A　　硼被认为是强化和净化晶界的元素，故可提高钢或合金的塑性，但多量的硼易形成FeB，沿晶界析出，降低钢的塑性。2.高温塑性
　　热扭转试验是测量钢的可锻性的一种常用手段。顾名思义，它是在试验材料所可能采用的热成形温度范围内选择若干温度，进行棒状试样热扭转直至断裂。试验中纪录下扭至断裂的圈数(塑性指标)及维持恒速扭转的扭矩(变形抗力指标)。在某一温度下若扭转的圈数最多，则此温度被认为是该材料的最佳热成形温度。
, Q- r! S) @8 p　　图4表明了由热扭转试验所确定的几种合金结构钢和工具钢的塑性图。由图可见，在900～1300℃范围内，三种低碳合金结构钢30CrMnSiA,12CrNi3A和18CrNi4WA的塑性随着温度t的上升而提高。由于合金元素和含碳量的不同，三种低合金结构钢的高温塑性低于15号钢，但大于三种工具钢和轴承钢GCr15。由图4还可看出，低碳合金结构钢最大塑性对应的温度比轴承钢、高碳工具钢的高。这主要是由于后者在状态图上的液相点较低、过热和过烧温度较低所致。
　　用轧制方法测得的Cr12MoV工具钢的塑性变形极限(△h/H)与温度的关系，以及用拉伸方法测得的Cr12MoV工具钢的断面缩减率Ψ与温度的关系如图5所示。在轧制时的三向压应力状态下，相对压下量△h/H可达70%～80%，在拉伸时的单向拉应力状态下，断面缩减率最高可达50%左右。说明即使高碳工具钢Cr12MoV也具有较高的热加工塑性，而合金结构钢则具有更高的塑性，它们可以在各种设备上锻造成各种各样形状的锻件。
　　锻态钢和锻态钢加工塑性与温度的关系如图6示意。图中表明，在锻造温度下铸态钢的加工塑性比锻态的低。这是因为铸态钢的化学成分不均匀，存在有各种偏析和铸造缺陷，在晶界上常分布有低熔点化合物或共晶，铸态钢的熔点通常比处于再结晶细晶粒状态的同种钢的熔点低，当变形生成热使工件温度增加时，易产生局部熔化，使变形金属晶界开裂。图6所示低塑性中间温度区对一些钢是存在的，这种情况认为是温加工温度足够高而使晶界滑移并产生晶界裂纹，但未能再结晶使裂纹停止扩展而闭合。
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1 @/ B0 ~. `3 n0 A8 B9 x9 b' m　　图4钢试样在断裂前的扭转数与温度的关系
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　　图5 Cr12MoV工具钢塑性曲线△h/H—相对压下量；Ψ—断面缩减率图6在各种加工温度下铸态钢和锻态钢加工塑性的比较MPc—铸态钢熔点；MPω—锻态钢熔点
/ ^2 r# s1 T- Y, v  `2 a& b  y文章关键词： 锻件