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。本文就公司生產中由于加熱爐爐溫不均勻導致產品出現金相組織檢測不合格的情況進行分析。

金相組織檢測及初步分析

金相組織不合格產品的材質為42CrMoA，數量為2 件，是同一訂單第一批次生產的產品。工藝路線：原材料檢驗-鋸床下料-鍛造加熱-鍛造制坯-加熱-輾環-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現：1#件金相組織呈現鐵素體極少以及大量片狀珠光體的狀態(圖1)，不滿足交貨狀態要求；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

經過調查，此兩件產品為同爐生產，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，按理金相組織不應出現如此大的差異。由此，我們開始檢查所有的作業記錄卡片，包括裝爐溫度、出爐溫度、冷卻時間等，以期找到兩件產品工藝上的不同之處，最終發現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品始鍛溫度相差近60℃，說明該加熱爐的爐溫均勻性出現了問題。為了驗證此想法，決定對該加熱爐進行爐溫均勻性測試。

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償導線式熱電偶直接與多點溫濕度巡檢儀連接，熱電偶、檢測儀表均應檢定合格并在有效期內，按照《GB/T 9452-2012熱處理爐有效加熱區測定方法》進行檢測，分析加熱爐內均溫性實際狀況。

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，測溫范圍更廣、更準確。它在K 型熱電偶的基礎上對其抗氧化性能、輻照嬗變、有序無序轉變和磁性轉變等方面進行了改進，從而提高了熱電偶穩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 型補償導線式鎧裝熱電偶，型號為WRMK-010，熱電偶測溫范圍0 ～1300℃，等級Ⅱ級，長度為8m。

多點溫濕度巡檢儀的選擇

多點溫濕度巡檢儀的選擇應從測溫范圍、準確度等級、分辨力及通道數量等方面進行考慮。公司現有的巡檢儀為泰安磐然測控科技有限公司所生產，型號為PR203AF，32 通道，準確度為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據造成的影響，需要在熱電偶上裝保護罩，且保護罩也需具備耐高溫的特性，故此次測試采用不銹鋼材質的測溫支架與熱電偶保護罩，使用耐高溫的鎳鉻絲對熱電偶及保護罩進行捆綁。

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罩，使用鎳鉻絲將保護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。測試點布置位置如圖3 所示，其中，b=3000mm，l=3500mm，h=1500mm。

圖3 測試點布置位置示意圖

將熱電偶延長導線引出爐外，將熱電偶測量端正負極導線正確連接在多點溫濕度巡檢儀上，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。設置數據采集時間間隔為2 分鐘，采集次數不限。一切準備就緒后對加熱爐進行升溫，加熱爐按工藝規定的升溫速度進行升溫，于1220℃溫度點進行保溫。

保溫2 小時后，采集10 組數據，加熱爐內各檢測點溫度見表1。可見加熱爐內5 號、6 號檢測點溫度明顯異常，超出設定溫度值1220℃約50℃。由此可以推測，在生產過程中，1#件在加熱爐中的放置位置應該在5 號、6 號區域，2#件在溫度相對正常的區域，由于爐溫不均勻導致1#件加熱溫度過高，使得晶粒粗大，從而影響了后續熱處理的效果，產生了同爐的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。為了驗證此想法，我們準備進行一次重復性試驗。

表1 加熱爐1220℃下保溫的爐溫均勻性測試數據

重復性試驗

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

圖4 1#試驗件金相組織

圖5 2#試驗件金相組織

綜上，我們可以確定，由于加熱爐爐溫均勻性差，爐內5 號、6 號區域爐溫過高，導致鍛件晶粒粗大，從而影響后續熱處理，使得產品出現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廠家，根據此次爐溫均勻性測試報告，就對應部位天然氣噴射嘴、加熱爐溫度儀表修正值等進行調整。

第二次爐溫均勻性測試及產品跟蹤

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

表2 加熱爐1220℃下保溫的第二次爐溫均勻性測試數據

圖6 后續產品金相組織

結論

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

⑵利用多點溫濕度巡檢儀對加熱爐的爐溫均勻性進行測試，實時測試數據可以給加熱爐制造廠家調整爐子提供強有力的支持，使有效加熱區內的爐溫均勻性滿足工藝要求，對實際生產具有指導意義。