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的制造工藝包括將材料燒焦工藝應用于電動汽車的制備工藝，即用清熱工藝制作原材料在頭部上的燒焦工藝。其中價格昂貴的4Cr14Ni14W2Mo氣門在電熱鐓制坯(見圖1)時,極易產生原因復雜又不易控制的折疊、裂紋、過燒、未充滿和尺寸超差等質量缺陷(見圖2),因此,對氣門電熱鐓制坯工藝進行研究具有重要意義。藝術分析1.大尺寸硅材料熱性能(1)化學成分4Cr14Ni14W2Mo鋼的化學成分為: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,材質系數級別大。除了基體金屬對塑性變形有影響外,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狀分布,也會降低加熱變形金屬的塑性,加熱裂紋和過燒的敏感性大。(2)硬度均勻性原材料的硬度高又不均勻,具有不同狀態(tài)的附加應力或殘余應力,原材料碳化物析出和組織應力狀態(tài)的均勻性差,小變形也易導致脆性相網絡裂紋,加熱裂紋、過燒和尺寸超差的敏感性大。(3)爐(批)次由化學成分、低倍、材料密度、塔形和力學性能分析或試驗可知,不同爐(批)次原材料的組織和性能等有差異;由實踐可知,分爐(批)次加熱比混爐(批)次加熱的合格品率高。(4)表面質量原材料有表面折疊、裂紋、結疤、夾雜、劃痕、凹坑和粗糙等缺陷,在加熱時極易引起原有表面缺陷的新擴展。2.試驗結果及分析(1)加熱工藝性差因奧氏體耐熱鋼的熱強性高、熱敏感性強、導熱率小、黏附力大、始鍛溫度要求嚴格;同時,因電熱鐓制坯鐓粗部分的長徑比l/d大,加熱折疊、裂紋、過燒和尺寸超差的敏感性大。(2)加熱溫度在250～350℃(藍脆區(qū))、800～950℃的(熱脆區(qū))和大于1180℃(過熱區(qū))為坯料加熱的危險區(qū),在此溫度下的停留時間不能過長,否則其過燒與裂紋傾向性大;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,也會降低鍛模使用壽命。(3)加熱前未預熱由金屬加熱理論可知,對于高合金奧氏體耐熱鋼宜采用三段加熱法加熱(含第一階段的預熱),以防止加熱速度過快,否則會超過其許用極限速度,變形連續(xù)性會遭破壞而產生裂紋或過燒等缺陷。(4)加熱擋位選擇不同的電熱鐓機加熱擋位,具有不同的電熱鐓制坯合格品率和效率等。(5)次級電壓選擇不同的電熱鐓機次級電壓,具有不同的電熱鐓制坯合格品率和效率等。(6)頂進缸與砧子缸推進的相對速度在氣門電熱鐓制坯時,其頭部內位移場與應變場都是空間坐標的連續(xù)函數。砧子缸與頂進缸推進速度不能過快,也不能過慢,同時必須相匹配,物體變形才可能是連續(xù)的,否則變形的連續(xù)性會遭到破壞而引起折疊、裂紋、過燒、未充滿和尺寸超差等缺陷。(7)現場溫度利用俄羅斯QFORM計算機軟件對現場溫度低于10℃又有急冷空氣吹過時的材料表面溫度變化的影響進行三維模擬(見圖3)。模擬結果表明:材料表面與內部的溫差大和表面應力大。這與實際生產的折疊、裂紋、過燒、未充滿和尺寸超差等缺陷數量增多的事實相符。3.加熱工裝的影響(1)鐓粗砧頭形狀氣門電熱鐓制坯時的心部始終處于強烈的三向壓應力狀態(tài),外表面附加拉應力和殘余應力大。當鐓粗砧頭為平面砧頭時,應力狀態(tài)的塑性低,易引起折疊、裂紋、過燒和未充滿等缺陷。(2)銅鉗口表面粗糙度電熱鐓銅鉗口導向部分表面粗糙度越差,其導熱性和成形能力越差,折疊、裂紋、過燒和未充滿等傾向性也越大。工藝過程的控制1.對殘余材料的管理為保證原材料碳化物析出和組織應力狀態(tài)的均勻性,應保證以下四項原材料采購技術條件:(1)對原材料實行批次管理(即明確在同一熔煉爐批次和同一工藝規(guī)范下對原材料電渣熔鑄、鑄坯鍛造、軋鋼、冷拔、熱處理和磨削等生產進行定時、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條件應符合國家有關標準的規(guī)定。(4)在6～9月份生產,為最佳生產日期。2.消除熱誤差,提高熱性能(1)增加去應力回火工序當氣門材料硬度高又不均勻而有異常時,則對其進行600～700℃的去應力回火熱處理(未按國家標準規(guī)定的820～850℃退火進行),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力回火工序后或當原材料表面缺陷大時應增加磨削工序,使其表面粗糙度值Ra≤1.6m和折疊、裂紋、結疤、夾雜、劃痕或凹坑等缺陷深度小于0.20mm,以防止相應缺陷的進一步擴大。(3)增加預熱工序當氣門加熱缺陷數量多或有異常時,在電熱鐓制坯前將4Cr14Ni14W2Mo原材料在150～220℃均勻預熱,可減小折疊、裂紋、過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、過燒和未充滿等缺陷,也可提高生產效率和鍛模使用壽命。(5)改善電熱鐓操作第一,利用法國FORGE計算機軟件對氣門電熱鐓制坯的全過程進行三維模擬(模擬過程如圖4所示),可有助于觀察和理解裂紋等缺陷的形成過程與機理。第二,在計算機三維模擬的基礎上,根據電熱鐓制坯鐓粗的長徑比l/d大小的不同,再利用正交試驗法對電熱鐓操作的加熱擋位、次極電壓和頂進缸與砧子缸相對速度對鍛件合格品率影響進行試驗研究,電熱鐓操作試驗的正交表L9(34)如下表所示。由上表可知,第八次試驗是最佳因素組合,即加熱擋位為2～4擋、頂進缸與砧子缸推進速度相對速度為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參數。(6)控制現場溫度增加現場溫度控制防護設施,保證現場無急冷空氣進入和現場溫度不低于20℃,以改善金屬變形流動條件,減少折疊、裂紋、未充滿和尺寸超差等缺陷數量。3.粗沖突及其解決方案(1)改進鐓粗砧頭形狀將鐓粗平面砧頭形狀(見圖5a)改進為圓弧凹面形狀,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,電熱鐓制坯外側表面的三向壓應力增大,制坯形狀規(guī)則,減少折疊、裂紋、過燒和未充滿等缺陷。(2)降低銅鉗口表面粗糙度值將銅鉗口導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、過燒和未充滿等缺陷數量,制坯效率提高。氣調與裝復工藝優(yōu)化(1)提高原材料品質、改進制坯工藝和優(yōu)化工裝設計三大方面的措施,是提高氣門電熱鐓制坯質量最有效的方法。其中提高原材料品質是有效控制氣門質量的前提,改進