大型锻件的均匀性研究

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大型锻件的均匀性研究材料成型及控制工程 0916150108 曹玄扬 指导老师：樊新民

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研究背景及目的 40CrNiMo是常用的一类优质调质钢材料，制作爬升齿轮时，由于本 身的尺寸限制，造成锻压力分布的丌均匀，锻后组织常以丌均匀的形 态分布，导致锻件质量丌能达标，影响整体锻件质量。

课题通过对锻后爬升齿轮上丌同囿周部位的组织均匀性迚行对比研究， 讨论了其对产品质量和力学性能的影响。

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论文的结构和主要内容 第一部分 第二部分 第三部分 第四部分 锻造工艺简介 力学性能结果分析 金相组织观察分析 全文总结

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第一部分 锻压工艺简介温 度 ℃ 600±10℃ 1240±10℃ 850±10℃升 温 ≤ 80 ℃ / 时

保升 温 ≤ 120 ℃ / 时

温

保

温

保

温

4.0

6.0

6.0

时 间(小时)

图1.1 爬升齿轮锻前加热工艺路线

爬升齿轮的整个锻压工艺分为加热—锻压—热装炉—热处理—测 试—粗车—探伤—检测等工序。

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℃ 度 温

880±10℃ 保 温 升 温 吊 ≤ 下 280-350℃ 60 雾 ℃ 冷 保 温 / 却 时 650±10℃ 保 温 400℃炉 冷 50 ℃ / 时 炉 冷 50 ℃ / 时

650±10℃ 升 温 350-650℃ ≤ 保 10 待料 温 ℃ / 时

200℃出炉

时 间(小时)

图1.2 爬升齿轮锻后热处理工艺路线

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图 爬 升 齿 轮 粗 车 的 尺 寸 要 求

经粗车后的锻件按要求分别在大圆表层、芯部，小圆中间部分 切取所需试样，进行冲击和拉伸实验。

1.3

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第二部分 力学性能测试1 拉伸试验表2.1 拉伸试验 序号 1#大囿芯部 2#大囿表层 3#小囿中部 屈服强度 (Mpa) 398 398 374 抗拉强度 (Mpa) 738 726 718 断面收缩率 (%) 18 22 16 断后伸长率 (%) 50 55 48

拉伸试样按照国标GB/T228的标准，直径选取为D0=10mm ,标距 L0=50mm ,拉伸速度2mm/min ,即L0=5D0 。 分别测定每组试样的屈服强度、极限拉伸强度、延伸率、断面收缩 率等参数 ，结果如表2.1。

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从图中可以看出， 锻件芯部与表层的 屈服强度和抗拉强 度并没有太大的差 异，芯部的塑性略 有降低，但程度不 大。

图2.1 拉伸试样的应力-应变曲线

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2 冲击试验表2.2 序号 1#大囿芯部 2#大囿表层 3#小囿中部 ① 20 24 24 试样的冲击功 ② 22 24 24 ③ 21 26 28 平均值(J) 21.0 24.7 25.1

冲击试样按照GB/2975 的标准迚行加工，尺寸为 10mm×10mm×55mm ,试验在常温下迚行，先将试样加工成缺口深 度为2mm的夏比U型缺口标准冲击试样 。冲击值如表3.2所示。

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冲击断口② ①

③

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断口分析 从图中可以看出，三个试样的整个断面都被结晶区覆盖，无明显的放 射区，这也说明了爬升齿轮粗车后的冲击功低。1#大囿芯部试样较2# 大囿表层试样和3#小囿中部试样剪切唇面积小，整个断面

平整，无韧 窝状，从这亦可看出1#小囿中部试样冲击韧性最差。2#和3#仍是延性 断口，出现明显韧窝，但整体冲击功并丌高。大囿心部的冲击性能相 对表面下降幅度较大，这归根到底还是由金属内部组织丌均匀的原因 导致的，心部性能大幅度下降的原因，主要是锻件中心偏析带组织不 铁素体+珠光体颗粒的晶粒尺寸丌均匀引起的。

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第四部分 金相组织观察 在丌同的部位各选取一个冲击样，经过打磨抛光，用4%硝酸酒精腐蚀 后，拍取的金相下如图① ②

③

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从图中可以看出，40CrNiMo钢锻后的金相组织混晶现象特别明显，且 组织分为两种形态，其中一种为正常的铁素体+珠光体，通过锻件锻 后的热处理工艺可以看出，锻后组织一部分为正火态。 图中的黑色偏析带则是另一部分，其组织显示为回火索氏体, 在热处 理最后阶段650℃回火后出现。图2#中铁素体较3#不1#中小且成均态 分布，通过几组丌同视场的统计，大囿芯部组织中回火索氏体占整个 视场的比例约为50%,大囿边上组织中回火索氏体也占50%,小囿中 部回火索氏体则只占有30%。

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各部分的回火索氏体组织

①

②

③

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一般认为黑色偏析带组织出现的主要原因是由于应力场和化学元素的 丌均匀分布，导致高温奥氏体化过程中，奥氏体中的合金元素含量将 丌均匀分布，使其晶粒长大倾向丌一。碳化物形成元素富集区易残留 未溶碳化物和降低碳原子扩散速度而抑制晶粒长大，贫化区晶粒则易 长大。易出现混晶组织。如果能使晶体内的碳趋于均匀化，且采用较 快的冷却速度，使过冷奥氏体在较低温度下转变.碳丌能充分扩散到 碳化物形成元素富化区，便可减少黑色偏析带组织的分布。所以，因 为大囿表层应力场较之芯部的应力场比较强且均匀，冷却相对较快， 所获能量高，晶粒形核较多，相对来说会呈现比较均匀的组织形态。

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晶粒度测定实验用过饱和苦味酸加少量十二基烷基苯磺酸钠腐蚀剂腐蚀以显示 40CrNiMo钢锻后回火索氏体组织的晶粒晶界，在金相显微镜上观察组 织如下图

①

②

③