加熱爐爐溫均勻性對鍛件金相組織的影響

文／王輝，張陽，張嵐，李少雨，夏昊·中航卓越鍛造(無錫)有限公司

鋼坯在鍛造前需要用加熱爐將其加熱到工藝要求的鍛造溫度，提高鋼坯加熱溫度可以降低變形阻力，但溫度過高會引起晶粒長大、氧化、過熱和過燒，這就要求鍛造加熱爐必須具有較高的可靠性。為了將鋼材加熱到合適的鍛造溫度，對加熱爐的爐溫均勻性提出了更高的要求。本文就公司生產(chǎn)中由于加熱爐爐溫不均勻?qū)е庐a(chǎn)品出現(xiàn)金相組織檢測不合格的情況進(jìn)行分析。

金相組織檢測及初步分析

金相組織不合格產(chǎn)品的材質(zhì)為42CrMoA，數(shù)量為2 件，是同一訂單第一批次生產(chǎn)的產(chǎn)品。工藝路線：原材料檢驗(yàn)-鋸床下料-鍛造加熱-鍛造制坯-加熱-輾環(huán)-正回火-粗車平面-無損檢測-硬度檢測-金相組織檢測。交貨時要求金相組織為均勻的鐵素體+珠光體組織。在熱處理后檢測金相組織時發(fā)現(xiàn)：1#件金相組織呈現(xiàn)鐵素體極少以及大量片狀珠光體的狀態(tài)(圖1)，不滿足交貨狀態(tài)要求；2#件金相組織為均勻的鐵素體+珠光體組織(圖2)，滿足要求。

圖1 1#件金相組織

圖2 2#件金相組織

經(jīng)過調(diào)查，此兩件產(chǎn)品為同爐生產(chǎn)，相同的加熱爐加熱，相同的熱處理爐加熱，工藝路線也一模一樣，按理金相組織不應(yīng)出現(xiàn)如此大的差異。由此，我們開始檢查所有的作業(yè)記錄卡片，包括裝爐溫度、出爐溫度、冷卻時間等，以期找到兩件產(chǎn)品工藝上的不同之處，最終發(fā)現(xiàn)鍛造過程溫度記錄處有較大差異，即1#件始鍛溫度為1178℃，2#件始鍛溫度為1120℃。工藝要求加熱爐加熱保溫溫度為1220℃，檢查加熱爐加熱保溫曲線，曲線正常，保溫溫度為1220℃。同一加熱爐加熱出來的兩件產(chǎn)品始鍛溫度相差近60℃，說明該加熱爐的爐溫均勻性出現(xiàn)了問題。為了驗(yàn)證此想法，決定對該加熱爐進(jìn)行爐溫均勻性測試。

加熱爐爐溫均勻性測試

加熱爐爐溫均勻性測試裝置由溫度傳感器、檢測儀表及測溫支架等組成。本次測試采用自帶補(bǔ)償導(dǎo)線式熱電偶直接與多點(diǎn)溫濕度巡檢儀連接，熱電偶、檢測儀表均應(yīng)檢定合格并在有效期內(nèi)，按照《GB/T 9452-2012熱處理爐有效加熱區(qū)測定方法》進(jìn)行檢測，分析加熱爐內(nèi)均溫性實(shí)際狀況。

熱電偶的選擇

在爐溫均勻性測試中比較常用的是K 型和N 型熱電偶，K 型熱電偶在高溫下長時間使用時，熱電動勢會緩慢漂移。N 型熱電偶的高溫抗氧化性能更強(qiáng)，測溫范圍更廣、更準(zhǔn)確。它在K 型熱電偶的基礎(chǔ)上對其抗氧化性能、輻照嬗變、有序無序轉(zhuǎn)變和磁性轉(zhuǎn)變等方面進(jìn)行了改進(jìn)，從而提高了熱電偶穩(wěn)定性能及抗高溫氧化性能。

從以上方面考慮，此次測試選擇N 型補(bǔ)償導(dǎo)線式鎧裝熱電偶，型號為WRMK-010，熱電偶測溫范圍0 ～1300℃，等級Ⅱ級，長度為8m。

多點(diǎn)溫濕度巡檢儀的選擇

多點(diǎn)溫濕度巡檢儀的選擇應(yīng)從測溫范圍、準(zhǔn)確度等級、分辨力及通道數(shù)量等方面進(jìn)行考慮。公司現(xiàn)有的巡檢儀為泰安磐然測控科技有限公司所生產(chǎn)，型號為PR203AF，32 通道，準(zhǔn)確度為0.2%FS，分辨率為0.1℃，測量范圍為0 ～1300℃，滿足此次爐溫均勻性測試的要求。

測溫支架及保護(hù)罩的選擇

此次要測量的加熱爐加熱方式為天然氣加熱，爐內(nèi)溫度較高，這就要求測溫支架需要具備耐高溫的特性，以確保測試過程中測溫支架無明顯變形。為減少火焰噴射對熱電偶采集數(shù)據(jù)造成的影響，需要在熱電偶上裝保護(hù)罩，且保護(hù)罩也需具備耐高溫的特性，故此次測試采用不銹鋼材質(zhì)的測溫支架與熱電偶保護(hù)罩，使用耐高溫的鎳鉻絲對熱電偶及保護(hù)罩進(jìn)行捆綁。

爐溫均勻性測試

按照工藝要求，加熱爐保溫溫度為1220℃，所以此次測試選擇的工藝溫度為1220℃。需特別注意的是測試時將熱電偶套上保護(hù)罩，使用鎳鉻絲將保護(hù)罩一起可靠地綁扎在測溫支架上。

加熱爐為長方體，四周測溫支架的上下端各綁扎一個熱電偶，中間測溫支架的中心位置綁扎一個熱電偶，共布置9 個點(diǎn)。測試點(diǎn)布置位置如圖3 所示，其中，b=3000mm，l=3500mm，h=1500mm。

圖3 測試點(diǎn)布置位置示意圖

將熱電偶延長導(dǎo)線引出爐外，將熱電偶測量端正負(fù)極導(dǎo)線正確連接在多點(diǎn)溫濕度巡檢儀上，儀表通電后檢查熱電偶能否正常顯示溫度。巡檢儀距離加熱爐約4 米，不影響測試精度。設(shè)置數(shù)據(jù)采集時間間隔為2 分鐘，采集次數(shù)不限。一切準(zhǔn)備就緒后對加熱爐進(jìn)行升溫，加熱爐按工藝規(guī)定的升溫速度進(jìn)行升溫，于1220℃溫度點(diǎn)進(jìn)行保溫。

保溫2 小時后，采集10 組數(shù)據(jù)，加熱爐內(nèi)各檢測點(diǎn)溫度見表1?？梢娂訜釥t內(nèi)5 號、6 號檢測點(diǎn)溫度明顯異常，超出設(shè)定溫度值1220℃約50℃。由此可以推測，在生產(chǎn)過程中，1#件在加熱爐中的放置位置應(yīng)該在5 號、6 號區(qū)域，2#件在溫度相對正常的區(qū)域，由于爐溫不均勻?qū)е?#件加熱溫度過高，使得晶粒粗大，從而影響了后續(xù)熱處理的效果，產(chǎn)生了同爐的1#件金相組織檢測不合格而2#件金相組織檢測合格的差異。為了驗(yàn)證此想法，我們準(zhǔn)備進(jìn)行一次重復(fù)性試驗(yàn)。

表1 加熱爐1220℃下保溫的爐溫均勻性測試數(shù)據(jù)

重復(fù)性試驗(yàn)

取兩件材質(zhì)同為42CrMoA 的余料，標(biāo)記為1#試驗(yàn)件、2#試驗(yàn)件，將1#試驗(yàn)件放置于加熱爐5 號、6 號位置，2#試驗(yàn)件放置于3 號、4 號位置，加熱保溫溫度設(shè)定為1220℃，然后按照工藝規(guī)定的升溫速度進(jìn)行升溫，到溫后保溫2 小時。后續(xù)使用與1#件、2#件產(chǎn)品相同的工藝進(jìn)行試制，在熱處理后對金相組織檢測。經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，1#試驗(yàn)件金相組織再次呈現(xiàn)鐵素體極少以及大量片狀珠光體的狀態(tài)(圖4)，2#試驗(yàn)件金相組織為均勻的鐵素體+珠光體組織(圖5)。

圖4 1#試驗(yàn)件金相組織

圖5 2#試驗(yàn)件金相組織

綜上，我們可以確定，由于加熱爐爐溫均勻性差，爐內(nèi)5 號、6 號區(qū)域爐溫過高，導(dǎo)致鍛件晶粒粗大，從而影響后續(xù)熱處理，使得產(chǎn)品出現(xiàn)1#件金相組織不合格而2#件金相組織合格的差異。因此，公司通知加熱爐生產(chǎn)廠家，根據(jù)此次爐溫均勻性測試報告，就對應(yīng)部位天然氣噴射嘴、加熱爐溫度儀表修正值等進(jìn)行調(diào)整。

第二次爐溫均勻性測試及產(chǎn)品跟蹤

為確保加熱爐可靠性，經(jīng)廠家調(diào)整結(jié)束后，對該加熱爐進(jìn)行第二次爐溫均勻性測試，設(shè)定溫度為1220℃，按工藝規(guī)定的升溫速度進(jìn)行升溫，到溫保溫2 小時后，采集10 組數(shù)據(jù)，爐內(nèi)各檢測點(diǎn)溫度見表2。調(diào)整后爐內(nèi)溫度分布更加均勻，爐溫均勻性符合生產(chǎn)要求。跟蹤同訂單的后續(xù)3 批次產(chǎn)品，熱處理后均獲得了均勻的鐵素體+珠光體組織(圖6)，再沒有出現(xiàn)之前類似的金相組織檢測不合格問題，證明了此次改進(jìn)的合理性和正確性。

表2 加熱爐1220℃下保溫的第二次爐溫均勻性測試數(shù)據(jù)

圖6 后續(xù)產(chǎn)品金相組織

結(jié)論

⑴加熱爐爐溫不均勻，部分區(qū)域爐溫過高，而過高的加熱溫度使得坯料晶粒粗大，對后續(xù)熱處理造成很大影響，產(chǎn)品金相組織很難通過后續(xù)熱處理來改善，導(dǎo)致同爐同批次產(chǎn)品出現(xiàn)有的金相組織合格，有的金相組織不合格的情況。

⑵利用多點(diǎn)溫濕度巡檢儀對加熱爐的爐溫均勻性進(jìn)行測試，實(shí)時測試數(shù)據(jù)可以給加熱爐制造廠家調(diào)整爐子提供強(qiáng)有力的支持，使有效加熱區(qū)內(nèi)的爐溫均勻性滿足工藝要求，對實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。