图相分析法在径向精锻工艺中的应用

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1989.01.008 花11艺第1 北京科技大学学报 Vo1.11No.1 1989年.11 'ournal of I niversity of Science and Technology Beijing Jan 1989 图相分析法在径向精锻工艺中的应用 康永林 董德元 (乐力加工系) 4 橘要：用相分析方法测定并分折「山精锻机银适高速制的碳化物分布状态。采 川图分折方法可以球少由践化物评皱来评正高速钢质迁的人为偏艺。测定了碳化物颗粒 形状及分布的1种分断量：1)面积百分数，(2)平与颗粒面积，(3)平均自由程，(4)长 范比，根达些分析潮定：论了径向精锻工艺中累积变形程度和终银温度的影彩响。增加累 积变形程度并适当降低终授温度（一般为86一910℃）有利F碳化物破碎及铜材质量的提高。 关键词：图相分析，精最，高速钢，碳化物 The Applicatiom of Picture Analysis Method in Radial Forging Process Kang Yonglin,Dong Deyuan ABSTRACT:Picture analysis method is used to measure and analyze the carbide distribution in the high-speed steel shapei by radial forging machine. The method can remarkablly reduce the error caused by using the comparing pictures of carbide degree to appraise the quality of high-speed steel.Following four factors are measured:(1)area percentagc;(2)average area of grain;(3) average free distance;(4)length-width ratio.Based on these factors,the pro- cess of radial forging is discussed and the relationships between the factors and accumulated deformation degree,or the final deformation temperature,are oblained.The increase of the accumulated deformation degree and a reasonable amount decrease of the final deformation temperature (860-910C)are favourable for the fineness of carbide. KEY WORDS:picture analysis,radial precision forging,high.speed steel, carbide 1987一07一19收稿 38

卷第 期 · ︸月 北 京 科 、 一 一 技 大 学 学 报 手 产 图相分析法在径向精锻工艺 中的应用 康永林 董德元 获力 加下 系 摘 要 划扣 分 析 方法测 定 井分 析 自 精 锻 机锥 造 高速 钢 的 明七物 分 布 状 态 。 采 图 相 分 析 方法 呵 以 减 少 碳 化 物 评级 图 来 评 之高速 钢 质 量的 人 为偏 斧 。 定 了 碳化 物颗 粒 形 状 及 分 布 的 一种 分 析 鼓 面 积百 分 殷 ， ‘ 、卜均 颖 粒 自 积 ， 、 卜均 自由 程 ， 长 宽 比 。 根 据 这 咋 分 析测 定 讨 沦 了径向 挤锹 艺中累积 变 形 程 度 和 终 锻 温 度 的影 响 。 增加 累 积 变 形 程 度 炸适 当降 低 终 锻 温 度 一 般 为 。 一 ℃ 了利 卜碳 化 物 破碎 及钢 材 质 最的 提高 。 关烫 词 图 相 分 析 ， 情 镶 ， 高 速 钢 ， 碳 化 物 洲弓 目 洲刀 ，夕 ， 月 ， 夕 夕 一 · 少一 一 少 ， 一 · 一 ’ 又 一 · ， · 一 ， ， 峪 〔 一 “ ， 义 ， · ， 一 一 收 稿 ， 龟 ， 尸 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1989．01．008

在计算机辅助工程(CAE)中，钢材质量的控制及检验是一项十分重要的工作。各加工 工艺参数决定了钢材的质量，而正确地分析和检验钢材质量才能对加工工艺提出更合理、更 确切的要求。这里我们仅以精锻高速钢的质量分析来考虑这个问题。 精锻机即径向精密锻造机是一种多锤头、高频率的新型锻压设备[1)。本文中的试验即是 在精锻机上进行的高速钢材料的锻造工艺试验。 1钢中碳化物分布的图相分析测定 目前对高速钢质量评定标谁主要是用评级图评定碳化物不均匀度级别。此法需要检验员 经验丰富，即使对同一块钢材，各厂家评级结果往往是不同的，可能相差0.5~1级。工艺 叁数，如变形方式、变形程度及终锻温度变化对高速钢质量有很大影响。能否正确分析钢材 质量，对确定工艺参数、改进工艺起重要作用。我们对精锻高速钢材料取样，在QUANTI- MET900机上作了碳化物分布的图相分析。在分析中测定了4种分析量，即： 1.1碳化物面积百分数 (1)平均值 x=X/含s, 其中X,一视场中第i个碳化物的面积： n一5个视场中的碳化物颗粒总数； S,一第j个视场的面积。 1.2碳化物平均自由程 (1)平均值 元=含Z,中忆，-〔含L,] L,一视场中第i个碳化物列第j个碳化物之间的距离： 工：视场中第i个碳化物到其余”-1个碳化物之间距离的均值。 (2)标谁差 s=A(亿-) 1.3碳化物颗粒长宽比 (1)长宽比的分布 (2)平均值 a=日a, 其中 a,=a:/b:a、b,一第i个碳化物的长轴和短轴。 (3)标准差 s-√日点(a-a) 39

在计算机辅 助 工程 中 ， 钢材质量 的控制 及检验 是一 项 十分 重要 的工作 。 各加工 工 艺 参数决 定了 钢材 的质量 ， 而正确地分 析和检验 钢材质 量 才能 对加工工艺提 出更 合理 、 更 确 切 的要求 。 这 里我 们仅 以精 锻高速钢的质量分 析来 考虑 这个问题 。 精锻机 即径 向精密锻造 机 是一种 多锤头 、 高频率 的新型锻压 设备 〔 ’ 〕 。 本文 中的 试验 即是 在 精锻机 上 进行 的高速 钢材料 的锻造 工 艺 试验 。 钢 中碳化物分布 的 图相分析测定 月前 对 高速 钢质 量评定 标 准主要是 用 评级 图评定碳 化 物 不 均 匀度 级别 。 此法需要检验 员 经 验丰富 ， 即 使对同一块 钢材 ， 各厂家 评 级结果往往是不 同 的 ， 可 能相 差 级 。 工艺 参数 ， 如 变 形方式 、 变 形程度及终 锻温度变化 对 高速钢质 量 有很大 影响 。 能否 正确 分 析 钢材 、 质量 ， 对确 定 工艺参数 、 改进 工艺起重 要 作用 。 我 们 对精锻高速钢材料取样 ， 在 机 上 作了 碳化 物 分 布的 图相 分 析 。 在 分 析 中测 定了 种 分 析量 ， 即 。 碳化物面积 百分数 平均值 不 ‘ 妙 ， 李 ， 其 中 一 视场 中第 个碳 化 物 的面积 ，一 第 个视场 的面 积 。 。 碳化物 平均 自由程 平 均值 ， 一 个视 场 中的碳 化物颗粒 总 数 一二丁 一 右 忿 汤 乙 刀 玄一 其 中 ‘ 〔十部 ， 〕 ，一 视场 中第 公个碳 化物 列第 个碳化物 之 间的距离 、 视场 中第 个碳 化物 到 其余 。 一 个碳化物之 间距离 的均值 。 标 准差 “ 侧 万戈 、 云 一 动 碳化物 颗粒长 宽 比 长宽 比的分 布 平均 值 二 上 夕 。 其 中 ‘ “ 、 ‘ 。 、 、 ，一 第 个碳 化物 的长轴 和 短轴 。 标准差 “ 二 了击 、 划一 万

(!)长定比大于.9的颗粒数 1.4碳化物颗粒面积 (1)碳化物颗粒面积数的分布 (2)平均值 。 A=1ΣA, n,-1 其中A,一视场中第i个碳化物颗粒的面积。 2 (3)标准差 s=这(4，-a) (4)碳化物颗粒面积大于70μm2的颗粒数。 在测量中、每个试样取5个视场，每个视场面积为18012um2,放大倍数为600倍，每 个视场颗粒数一般在200~400个。 2高速钢碳化物分布的图相分析结果 高速钢中的大块网状碳化物在锻造过程中，由于锻件塑性变形而得到破醉，碳化物的破碎 程度和分散程度随变形条件（主要有变形方式、变形程度及终锻温度）的不同而各异。变形 方式和累积变形程度密切相关。下面着重讨论变形程度和终锻温度两个主要因素对高速钢锻 材中的碳化物颗粒形状及分布状态的影响。 2,1变形程度的影响 钢坯总变形程度的大小取决于各道次的变形方式、变形量以及总锻造道次。在精锻机的 锻造工艺中，采用了滚圆、压扁、压角等不同的变形方式。在计算变形程度时采用以往的变 形程度计算方法（如面缩率等）不能很好地反映这些方式的作用。因此，采用“主动变形”计 算变形程度的方法。其特点是用主动变形移位体积除变形区体积来表示变形程度【21。在不同 变形方式下变形程度的计算式为： 方一扁 cin 圆一扁=ln公 圆一圆 e=21n d 方-六角c=加片 式中H一方坯高度，h一扁坯高度，D一圆坯直径，d一压缩后圆坯直径，L一方坯对角线 长。 表1是采用的变形方式和变形程度的关系。钢锭为380mm高速钢电渣锭，经一火开坏 后切成3段(1*、2、3)，在二火时分别以3种不同的变形工艺锻成中102mm成品材。 从表1中可以看出，采用不同的变形方式，总变形程度是不同的，采用方一扁一压角一圆变 形方式的累积变形程度最大(2材)。 对锻材分别取样进行图相分析的结果见表2。 40

民 ‘ 龙 一 卜大 飞 的顺华‘ 数 碳化物 颗粒 面积 碳化 物 颗粒 面 积 数 的分 布 平均 ， ， 〔 万 ‘ 分 ‘ 铆 ， 刁 ， 一 视场 中第 个碳 化物 颗 粒 的面积 。 一川万 恤一 ” 标准差 占 了万二 万 碳 化物 颗粒 面积 大于 如 的颗粒数 。 在测 量 中 每 个 试样 取 个视 场 ， 每 个 视场 面 积 为 ， 放 大 倍 数为 倍 ， 每 个视 场 颗 粒数一 般 在 一 个 。 高速钢 碳化物分布的 图相分析结果 高速 钢 中的 大 块 网状 碳 化物 在 锻造 过程 中 ， 由于 锻 件 塑性 变形 而得 到破 碎 ， 碳 化 物 的破 碎 程度和分散程 度随 变形 条 件 卜要 有变形方 式 、 变 形 程 度及终 锻温度 的不 同 而各 异 。 变 形 方 式和 累积变形程 度密切 相 关 。 下 面着重讨 论 变形程 度犷终 锻温度两 个主要 因素对 高速钢锻 材 中的碳 化物 颗粒 形状 及 分 布状 态的影响 。 变 形程 度 的影 响 钢坯总 变形程 度的大 小 取 决于 各道 次 的 变形方 式 、 变形量 以及总锻 造 道 次 。 在精 锻机 的 锻造工艺 中 ， 采 用 了滚圆 、 压 扁 、 压 角等不 同 的变形 方式 。 在 计算变形 程 度时采 用 以往 的 变 形程度计算方法 如 面缩率 等 不 能 很好地 反映 这 些 方 式的 作用 。 因此 ， 采 用 “ 主 动 变形 ” 计 算变 形程 度的方法 。 其特点 是 用 主动 变形移 位体积除 变 形 区 体积 来表示 变形程度 〔 ” 。 在不 同 变形方式下变形程 度 的计 算 式 为 。 万一 扁 ￡ 丁‘ ， 、 圆 一 杨 尸 一 圆一 圆 一 一 忿 方一 ，、 角 一 · 贡 式 中 一 方坯高度 ， 一 扁坯 高度 ， 一 圆 坯 直径 ， 一 压缩 后 圆坯直径 ， 一 方 坯 对 角线 长 。 表 是采 用 的 变形方式 和 变形程 度 的关 系 。 钢 锭 为 功 高速 钢 电渣锭 ， 经一 火 开 坏 后 切成 段 、 诊、 ’ ， 在 二火时 分别 以 种不 同 的 变形工艺 锻 成 负 成 品 材 。 从 表 中可 以看 出 ， 采 用 不 同 的 变形 方式 ， 总 变形程 度是不 同 的 ， 采 用 方一 扁一 压 角一 圆 变 形 方 式 的 累积变形 程 度最大 ’ 材 。 对 锻材分别取样进行 图相 分析 的结果见 表

表1变形方式和果积变形程度 Table 1 For mirg method ard accumulated deformation degree 钢锭尺寸 变 形 方 式 成品尺寸 黑常变形 mm 第1火 第2火 mm 程度 1#国一阅一圆 ÷102 3.06 e380 國-一一扁一方 2*方一图一方一方一侧 P102 4.5 3#圆一方一正方一方一周 d102 4.15 蓥2图相分析结果 Table 2 Result of picture analysis 碳化物相 平均颗粒 翻坯号样品位置 利积 准差 平均自由程 标准差 长宽比 黑积变形 标准差 面积， 标准差 (严m)2 程度 D/2 0.0674 0,0185 35.4 8,29 1,50 0.28 9.56 9.84 1% D/4 0.0343 0.0131 74.3 24.4 1.49 0.27 8.19 9.28 3,06 D/8 0.034 0.0085 66,6 14.7 1.48 0.251 7,72 8.82 D/2 0.0244 0,0048 77,8 22.0 1.47 0.346 5.15 6.03 2* D/4 0,0266 0.0059 77.8 30.8 1.45 0,229 5.68 6.87 4.5 D/8 0.0243 0,0071 84.5 26.5 1.47 0,239 5,61 6.95 D/2 0.0662 0,0486 49.0 37,4 1.49 0.266 7.74 8,13 3# D/4 0.0382 0,0041 50.4 3.63 1.46 0.258 6.32 6.41 4.15 D/8 0.0355 0,0054 54.9 6.2 1,45 0.24 6.05 6.43 (1)碳化物的平均自由程、平均颗粒面积和变形程度的关系（变形温度为1080~860°C) 平均自由程反映了碳化物的弥散程度，该值越大，碳化物越分散，组织就越均匀。平均 颗粒面积说明了碳化物的破碎程度，很明显，它的值越小越好。 图1、图2表示总变形程度对两项指标的影响。从图中可以看出，随着累积变形程度增 加，平均自由程增加，平均颗粒面积下降。 (2)碳化物颗粒长宽比与变形程度的关系 150 130 110 1.52.02.53.03.54.04.55.0 1.52.02.53.03.54.04.55.0 LE ye 图1平均自由出程与变形程度的关系，(D/4) 图2平均颗粒面积与变形程度的关系，(D/4) Fig.1 Deformation degree vs average Fig.2 Deformation degree vs average free distance,D/4 area of grain,D/4 平 41

美 变形方式 和集积变形程度 乍 卜 切 印 。 钢 锭 尺 寸 刀 变 形 方 式 第 火 第 火 园一 圆一 圆 圆 一 圆一 扁 一 方 方一 圆一方一方一圆 华 圆一方一正 方一方一 圆 成品尺 寸 累常 变 形 程 度 沪工 。 功 户 。 子 。 表 图 相 分 析 结 果 气 钢 坯号 样 品位 置 碳 化 物 相 对 面 积 ， 标谁差 召 平 均 自由程 月 】 标谁 差 长 宽比 平 均 颗粒 标准 差 面积 ， 标 淮差 产 累积变形 程 度 。 。 八 自， 从﹄口了 ︸︵曰 ﹄︸工， 六口 。 。 。 。 。 。 。 。 。 朴 。 一 。 。 。 一 。 。 色 。 。 吕一︸臼弓 护于 汀尹了，尹 铃 。 。 。 一 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 一 。 。 。 。 。 了 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 禅 。 。 一 。 。 。 。 。 。 、 、 碳化物 的 平均 自由程 、 平 均颗粒面积和 变形程度的关 系 变形温度为 平 均 自由程 反映 了碳化物 的弥散程度 ， 该值越大 ， 碳化物越 分散 ， 组 织就越 均匀 。 平均 颗 粒 面积说 明 了碳化 物 的破碎程度 ， 很 明显 ， 它 的值越小越 好 。 图 、 图 表示总变形程 度对 两项 指 标的影 响 。 从 图 中可 以看 出 ， 随 着累积变形程 度增 加 ， 平均 自由程增加 ， 平均颗 粒面积下 降 。 碳化物颗 粒长宽 比与变 形程 度 的关 系 口 夕 洲 丫 ，刁 少夕 二 梢 国 止门 了一 一赶 匕 只 曰 产尹户尹 弓哥 飞 、 、 。 、 日 网 牡劝 、 、 粉 骊 、 、 、卜 卜、 卜、 、 、 、 是 ， 七 、 、 、 魂 目 一卜 ﹄一﹄二比奋。民。﹄“‘比 介，马匕曰，‘ ‘ 。 尸三共。优工﹄。灿目。 工毛 图 平均 自由程 与变形 程度 的 关系 ， ， 图 平均颗粒 面 积与变形程 度 的关 系 ， ， ，卜 遵

碳化物颗粒的长宽比是衡量碳化物颗粒总形态的一个测定值。长宽比愈小表明碳化物颗 粒愈接近球形，钢的机械性能也愈好。变形程度增加，碳化物颗粒长宽比呈下降趋势。 (3)碳化物颗粒长宽比分布，颗粒度分布与变形程度的关系 图4和图5是高速钢电渣锭经第1火开坯后切成3段，在第2火分别采不同的变形方 式（累积变形程度也不相同）锻成中102mm成品材的碳化物颗粒长宽比分布图和颗粒分布 图。图中的SD为标准差。3支钢坯的累积变形程度依次为 ∑ez=4.50>es。=4.15>c1￥=3.06 1100 1100 1000 1000 -1:SD=.28 sD0.27 2:SD=6.7B7 900 2:≤=0.22 900 3:S0=6,4】 800 3:S0=0.258 800 700 700 600 600 500 500 400 400 300 300 200 200 100 100 0 .0 1 1.21.41.61.82.02.22.4 5 1015202530 Length-width ratio Area of grain,Am2 图3颗拉长度比的分布，D/4 图4颗粒面积的分布，/4 Fig.3 Distribution of length-width of Fig.4 Distribution of arca of grain, grain,D/4 Dit 图5和图6是30支高速钢锻材的D4处的碳化物颗粒度分布长宽比分布的标准差与 累积变形程度的关系。由图可见，碳化物颗粒分布的标准差和长宽比分布的标准差均随变形程 度的增加而呈下降趋势。在这里需要特别指出的是，两个图中的右半部分全是由380mm电 渣锭锻成中102mm材的数据。这表明在锻比相同的条件下，通过采用使宽展变形显著增加的 变形方式来增加变形程度以改碳化物的形状和分布状态是完全可行的。 14 0.45 11 6 0.40 10 9 0.35 0.30 0.25 5 0.21 1.52.02,53.03.54.04.55.0 2.02.53.03.54.04.55.0 e一 图5颗粒度分布标准与变形胜度的关系 图6长宽比分布标准上与变形程度的关系 Fig.5 Deformation degree vs standard Fig.6 Deformation degree vs standard deviation of grain size deviation of length-width ratio 42

碳化物 颗粒的长宽比是衡量碳化物 颗 粒总形态的一 个测 定值 。 长宽比愈小 表明碳化物颗 粒愈接 近球 形 ， 钢的机 械性能 也愈好 。 变 形程 度增 加 ， 碳 化 物 颗粒 长 宽 比 呈下 降 趋势 。 碳 化物 颗粒 长宽 比分 布 ， 颗粒 度 分布 与变 形程 度 的关 系 图 和 图 是 高速 钢电渣 锭 经 第 火开 坯后 切成 段 ， 在 第 火 分别 采 用 不 同 的 变形方 式 累积 变形 程 度也 不相 同 锻 成 功 成 品材 的 碳化物 颗粒 长宽 比 分布 图 和 颗 粒 分布 图 。 图 中的 为标准差 。 支 钢坯的 累积变 形程 度依 次 为 万。 万 。 万。 ，， 。 万亦 石刀吕司‘‘ 旅 土 那 取一 阅户 一 目 一 州尸 尹 溉气 李卜 ‘ 、 】 一丁 一 ‘ 「 】 双 产、 ， ︸卜‘ ︺ 一 兰 呵 · 。 以 朋 ， 图 顺拉 长度 比的分 布 ， 了 认 一 ， 图 颗拉 面 积 的 分 布 ， ， 图 和 图 是 。 支高速钢锻 材 的 处 的碳化物 颗 粒度 分 布和 长宽 比分 布的 标准 差 与 累积 变 形程 度的关 系 。 由图可见 ， 碳 化 物 颗拉分 布的 标准差 和 长宽 比 分 布的标准差 均随变 形程 度 的增加 而呈下 降趋势 。 在这 里需 要特别 指 出的是 ， 两 个图 中的右半 部分全是 由 妇 电 渣锭 锻成 必 材的数据 。 这 表 明在 锻 比相 同的 条件下 ， 通 过采 用 使宽 展 变 形显 著增 加的 变 形方 式 来 增加 变形程度 以 改 湃碳化 物 的 形状 和 分 布状 态是 完全 可行 的 。 一二︺召口‘亏助‘ 尸勺勺一口切︸侧﹄司 【 共片 。 万 卞一 、 、 、 ’ 、 ‘ 、 、 、 ‘ 叫 、 、 、 生廷 ‘ ﹁﹄一司优﹄助。曰口奋。﹄司 图 颗 社 度 分 布 标准 与变形 程 度的 关 系 图 长 宽 比 分 布 标准 笙 与变形 程度的 关 系 名飞‘ 一