超高合金奧氏體耐熱鋼4cr14ni14w2mo鋼的制備及性能研究

超高合金奧氏體耐熱鋼4cr14ni14w2mo鋼的制備及性能研究

150系列大型高速挖掘機(jī)的制造工藝包括將材料燒焦工藝應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)的制備工藝，即用清熱工藝制作原材料在頭部上的燒焦工藝。其中價(jià)格昂貴的4Cr14Ni14W2Mo氣門(mén)在電熱鐓制坯(見(jiàn)圖1)時(shí),極易產(chǎn)生原因復(fù)雜又不易控制的折疊、裂紋、過(guò)燒、未充滿(mǎn)和尺寸超差等質(zhì)量缺陷(見(jiàn)圖2),因此,對(duì)氣門(mén)電熱鐓制坯工藝進(jìn)行研究具有重要意義。藝術(shù)分析1.大尺寸硅材料熱性能(1)化學(xué)成分4Cr14Ni14W2Mo鋼的化學(xué)成分為:wC0.40%～0.50%,wSi≤0.80%,wMn≤0.70%,wP≤0.035%,wS≤0.035%,wNi13.0%～15.0%,wCr13.0%～15.0%,wMo0.25%～0.45%,wW2.00%～2.75%,為超高合金奧氏體耐熱鋼,材質(zhì)系數(shù)級(jí)別大。除了基體金屬對(duì)塑性變形有影響外,其高溫下的Fe3C、Mn[(Fe,Mn)3C]、Cr[(Fe,Cr)3C]、(Fe,Cr)7C3和(Fe,W)6C、SiO2、FeFeS、NiS、Cr23C6、Cr7C3、Mo2C和MoC等硬而脆的碳化物和金屬間化合物在晶界的網(wǎng)狀分布,也會(huì)降低加熱變形金屬的塑性,加熱裂紋和過(guò)燒的敏感性大。(2)硬度均勻性原材料的硬度高又不均勻,具有不同狀態(tài)的附加應(yīng)力或殘余應(yīng)力,原材料碳化物析出和組織應(yīng)力狀態(tài)的均勻性差,小變形也易導(dǎo)致脆性相網(wǎng)絡(luò)裂紋,加熱裂紋、過(guò)燒和尺寸超差的敏感性大。(3)爐(批)次由化學(xué)成分、低倍、材料密度、塔形和力學(xué)性能分析或試驗(yàn)可知,不同爐(批)次原材料的組織和性能等有差異;由實(shí)踐可知,分爐(批)次加熱比混爐(批)次加熱的合格品率高。(4)表面質(zhì)量原材料有表面折疊、裂紋、結(jié)疤、夾雜、劃痕、凹坑和粗糙等缺陷,在加熱時(shí)極易引起原有表面缺陷的新擴(kuò)展。2.試驗(yàn)結(jié)果及分析(1)加熱工藝性差因奧氏體耐熱鋼的熱強(qiáng)性高、熱敏感性強(qiáng)、導(dǎo)熱率小、黏附力大、始鍛溫度要求嚴(yán)格;同時(shí),因電熱鐓制坯鐓粗部分的長(zhǎng)徑比l/d大,加熱折疊、裂紋、過(guò)燒和尺寸超差的敏感性大。(2)加熱溫度在250～350℃(藍(lán)脆區(qū))、800～950℃的(熱脆區(qū))和大于1180℃(過(guò)熱區(qū))為坯料加熱的危險(xiǎn)區(qū),在此溫度下的停留時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng),否則其過(guò)燒與裂紋傾向性大;加熱溫度也不能低于始鍛溫度,否則其折疊與裂紋傾向性大,也會(huì)降低鍛模使用壽命。(3)加熱前未預(yù)熱由金屬加熱理論可知,對(duì)于高合金奧氏體耐熱鋼宜采用三段加熱法加熱(含第一階段的預(yù)熱),以防止加熱速度過(guò)快,否則會(huì)超過(guò)其許用極限速度,變形連續(xù)性會(huì)遭破壞而產(chǎn)生裂紋或過(guò)燒等缺陷。(4)加熱擋位選擇不同的電熱鐓機(jī)加熱擋位,具有不同的電熱鐓制坯合格品率和效率等。(5)次級(jí)電壓選擇不同的電熱鐓機(jī)次級(jí)電壓,具有不同的電熱鐓制坯合格品率和效率等。(6)頂進(jìn)缸與砧子缸推進(jìn)的相對(duì)速度在氣門(mén)電熱鐓制坯時(shí),其頭部?jī)?nèi)位移場(chǎng)與應(yīng)變場(chǎng)都是空間坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù)。砧子缸與頂進(jìn)缸推進(jìn)速度不能過(guò)快,也不能過(guò)慢,同時(shí)必須相匹配,物體變形才可能是連續(xù)的,否則變形的連續(xù)性會(huì)遭到破壞而引起折疊、裂紋、過(guò)燒、未充滿(mǎn)和尺寸超差等缺陷。(7)現(xiàn)場(chǎng)溫度利用俄羅斯QFORM計(jì)算機(jī)軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度低于10℃又有急冷空氣吹過(guò)時(shí)的材料表面溫度變化的影響進(jìn)行三維模擬(見(jiàn)圖3)。模擬結(jié)果表明:材料表面與內(nèi)部的溫差大和表面應(yīng)力大。這與實(shí)際生產(chǎn)的折疊、裂紋、過(guò)燒、未充滿(mǎn)和尺寸超差等缺陷數(shù)量增多的事實(shí)相符。3.加熱工裝的影響(1)鐓粗砧頭形狀氣門(mén)電熱鐓制坯時(shí)的心部始終處于強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài),外表面附加拉應(yīng)力和殘余應(yīng)力大。當(dāng)鐓粗砧頭為平面砧頭時(shí),應(yīng)力狀態(tài)的塑性低,易引起折疊、裂紋、過(guò)燒和未充滿(mǎn)等缺陷。(2)銅鉗口表面粗糙度電熱鐓銅鉗口導(dǎo)向部分表面粗糙度越差,其導(dǎo)熱性和成形能力越差,折疊、裂紋、過(guò)燒和未充滿(mǎn)等傾向性也越大。工藝過(guò)程的控制1.對(duì)殘余材料的管理為保證原材料碳化物析出和組織應(yīng)力狀態(tài)的均勻性,應(yīng)保證以下四項(xiàng)原材料采購(gòu)技術(shù)條件:(1)對(duì)原材料實(shí)行批次管理(即明確在同一熔煉爐批次和同一工藝規(guī)范下對(duì)原材料電渣熔鑄、鑄坯鍛造、軋鋼、冷拔、熱處理和磨削等生產(chǎn)進(jìn)行定時(shí)、定量和定置管理)。(2)徹底清除原材料電渣熔鑄的殘余料頭和殘余質(zhì)量缺陷。(3)原材料硬度、表面的缺陷、表面粗糙度和尺寸精度等技術(shù)條件應(yīng)符合國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。(4)在6～9月份生產(chǎn),為最佳生產(chǎn)日期。2.消除熱誤差,提高熱性能(1)增加去應(yīng)力回火工序當(dāng)氣門(mén)材料硬度高又不均勻而有異常時(shí),則對(duì)其進(jìn)行600～700℃的去應(yīng)力回火熱處理(未按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的820～850℃退火進(jìn)行),使硬度不大于248HBW并均勻化,效果較為理想。(2)增加磨削工序在增加去應(yīng)力回火工序后或當(dāng)原材料表面缺陷大時(shí)應(yīng)增加磨削工序,使其表面粗糙度值Ra≤1.6m和折疊、裂紋、結(jié)疤、夾雜、劃痕或凹坑等缺陷深度小于0.20mm,以防止相應(yīng)缺陷的進(jìn)一步擴(kuò)大。(3)增加預(yù)熱工序當(dāng)氣門(mén)加熱缺陷數(shù)量多或有異常時(shí),在電熱鐓制坯前將4Cr14Ni14W2Mo原材料在150～220℃均勻預(yù)熱,可減小折疊、裂紋、過(guò)燒等缺陷和提高加熱效率。(4)控制始鍛溫度將原材料電熱鐓制坯溫度控制在1150℃,既可減小折疊、裂紋、過(guò)燒和未充滿(mǎn)等缺陷,也可提高生產(chǎn)效率和鍛模使用壽命。(5)改善電熱鐓操作第一,利用法國(guó)FORGE計(jì)算機(jī)軟件對(duì)氣門(mén)電熱鐓制坯的全過(guò)程進(jìn)行三維模擬(模擬過(guò)程如圖4所示),可有助于觀(guān)察和理解裂紋等缺陷的形成過(guò)程與機(jī)理。第二,在計(jì)算機(jī)三維模擬的基礎(chǔ)上,根據(jù)電熱鐓制坯鐓粗的長(zhǎng)徑比l/d大小的不同,再利用正交試驗(yàn)法對(duì)電熱鐓操作的加熱擋位、次極電壓和頂進(jìn)缸與砧子缸相對(duì)速度對(duì)鍛件合格品率影響進(jìn)行試驗(yàn)研究,電熱鐓操作試驗(yàn)的正交表L9(34)如下表所示。由上表可知,第八次試驗(yàn)是最佳因素組合,即加熱擋位為2～4擋、頂進(jìn)缸與砧子缸推進(jìn)速度相對(duì)速度為0.8～1.1mm/s和次極電壓為3.5～4.0V是電熱鐓制坯操作的最佳試驗(yàn)參數(shù)。(6)控制現(xiàn)場(chǎng)溫度增加現(xiàn)場(chǎng)溫度控制防護(hù)設(shè)施,保證現(xiàn)場(chǎng)無(wú)急冷空氣進(jìn)入和現(xiàn)場(chǎng)溫度不低于20℃,以改善金屬變形流動(dòng)條件,減少折疊、裂紋、未充滿(mǎn)和尺寸超差等缺陷數(shù)量。3.粗沖突及其解決方案(1)改進(jìn)鐓粗砧頭形狀將鐓粗平面砧頭形狀(見(jiàn)圖5a)改進(jìn)為圓弧凹面形狀,其中如圖5c所示的效果較好,如圖5b所示的效果最佳。鐓粗砧頭為圓弧凹面時(shí),電熱鐓制坯外側(cè)表面的三向壓應(yīng)力增大,制坯形狀規(guī)則,減少折疊、裂紋、過(guò)燒和未充滿(mǎn)等缺陷。(2)降低銅鉗口表面粗糙度值將銅鉗口導(dǎo)向部分的表面粗糙度值Ra=1.6m變?yōu)镽a≤0.8m,制坯形狀規(guī)則,減少加熱黏滯,減少折疊、裂紋、過(guò)燒和未充滿(mǎn)等缺陷數(shù)量,制坯效率提高。氣調(diào)與裝復(fù)工藝優(yōu)化(1)提高原材料品質(zhì)、改進(jìn)制坯工藝和優(yōu)化工裝設(shè)計(jì)三大方面的措施,是提高氣門(mén)電熱鐓制坯質(zhì)量最有效的方法。其中提高原材料品質(zhì)是有效控制氣門(mén)質(zhì)量的前提,改進(jìn)