（美国金属手册 4C卷 感应加热）
温、热加工的应用
切斯特•范•泰恩，科罗拉多矿业学院
约翰•沃尔特斯，成形科技公司
译者：彭智泓
微合金锻钢
金属的温、热加工使得其材料能通过塑性变形形成零件，这些零件在需要强度、韧性和延展性的各种应用中都很有用。本文描述了可进行温、热加工的各种金属，总结了每种金属系统的特点及加工注意事项；每个材料系统的应用都作了相应介绍。在这些讨论中使用的主要加工工艺是锻造，因为这是一种通用的金属加工工艺，可以在冷、温、热加工温度下进行。
本文所介绍的金属系统包括钢、不锈钢、铝合金、钛合金、高温合金和铜合金。这些金属的温、热加工可以生产的零件重量从几公斤到45,000公斤（100,000磅）以上。
普通碳素钢和低合金钢
钢是一种铁基合金，添加少量碳及其他元素以改善各种性能。钢是最有用的金属之一，具有最高的单位成本强度，可生产的钢材成分和显微组织范围很广。这些范围允许在钢合金家族中实现大量的性能选择。低温时钢的显微组织多为铁素体加碳化铁相场，高温时其显微组织多为奥氏体相场。不同的相显示出晶体结构的差异，但更重要的是性能的差异。在奥氏体相场中进行热变形和温变形，在铁素体相场中进行冷变形。
化学成分
钢通常由95%至99% 的铁和0.005% 至1.0%的 C 组成。碳赋予合金强度和淬透性。通常添加到钢中的其他元素及其对性能的影响包括:
▪锰: 提高热加工性
▪铬和钼: 提高韧性和淬透性
▪镍: 增加强度和韧性
▪硅: 主要是一种脱氧剂，但也可以提高强度
▪铝: 脱氧剂
钢中发现的有害的残留元素包括磷和硫，尽管有时有意添加硫来改善机械加工性能。含硫的钢较难锻造。另一种残留元素是铜，由于废钢产量的增加，铜的含量也随之增加。汽车电线中的铜在旧车被改造成电弧炉原料的废品之前没有加以去除。过量的铜会增加钢的热脆性倾向。
应用
钢是一种优良的结构材料，应用范围很广。钢具有优良的强度、韧性、刚度和抗疲劳性，且成本合理，是运输机械中的主要材料。一辆普通小车有超过50%的重量是由钢铁制成的。大多数紧固件、建筑和采矿设备、机床和大型结构都以钢为主，管道、铁路、农业设备、船舶和飞机的起落架都是由钢铁制造。最后，钢铁是国防应用的主要支柱，从军械到航空母舰。
变形温度
除了可加工的牌号外，钢在热变形期间的性能很好。热变形对最终零件的延展性、冲击韧性和疲劳寿命等机械性能均有影响。性能的变化是由于偏析的中断、孔隙的闭合以及高温变形导致的均质化而产生的。热锻也可以减少晶粒度，在零件中产生纤维状的晶粒结构（即晶粒流动）。如果晶粒流的方向与裂纹垂直，晶粒流可以阻碍裂纹的扩展，以改善冲击和疲劳性能。虽然锻造钢通常具有优越的疲劳和韧性性能，但必须注意，锻造对零件的最终硬度和强度影响较小。硬度和强度通常可通过成分选择和热处理来加以控制。
热变形是钢最常见的加工工艺。高温下钢的延展性很好，流动应力是室温屈服强度的10-20%。使用的变形温度主要取决于钢中的碳含量，合金元素含量的影响程度较小。钢中碳含量或合金元素含量较高，由于熔化温度较低，则最大允许工作温度较低。如果钢的温度过高，就会发生 "烧伤 "或使钢的晶界融化。虽然典型的热锻温度在1175至1300°C（2150至2375oF）之间，远低于1370 oC（>2500 oF）的熔化温度，但锻造过程中的变形（绝热）加热会导致局部加热。局部温度升高90 o C (200 o F)或更多会导致局部熔化，这将大大降低机械性能和延展性。
在热作温度下，应变速率或速度影响到钢的抗变形能力。较快的变形速度导致较高的强度（流动应力），变形所需的力量更大。
温成型（815至980°C，或1500至1800°F）也用来使一些不同等级的钢材成形。温锻可以降低加热的能源成本，减少锻造后冷却过程中出现的氧化皮和热收缩。由于较高的流动应力，温锻所需的压力负荷可能明显高于传统温度下的锻造。这些增加的载荷会降低模具的使用寿命。温锻还可以产生更好的显微组织，因此零件可能不需要后续热处理。温锻的模具一般比较昂贵，因为它的设计是为了承受明显的高应力。温锻件在大批量的机械冲压应用中最为常见，例如汽车传动系统零件。
冷成型钢的温度低于260°C（500°F）。冷成型几乎总是在室温下进行，因为相对于大量的加热成本，加热到几百度的温度其好处可以忽略不计。所成形的零件必须相当小，因为钢在冷成形过程中会发生工作硬化，使材料的强度大大增加，并导致极高的成形负荷。冷成型工艺的流动应力非常高。模具成本和复杂性成倍增加，需要复杂的模具组件来吸收远远超过690MPa（100ksi）的接触压力。冷成型零件仅限于硬币制作和大批量的机械压力应用，如紧固件、火花塞体、轴承零件和手动工具的成形。
作业注意事项
作热锻和温锻用的钢坯最常见的是在燃气炉（或其他炉）中预热，适用于大型零件、小批量、镦粗、自由锻造和单件作业。对于大型零件而言，加热时间可能超过30小时。长时间的作业会导致表面形成氧化皮，必须在锻造前去除，否则会导致表面粗糙较差。表面氧化皮可以通过镦粗或用机械的方法去除。在加工过程中，经常可以看到操作人员用高压空气或水将氧化皮从大型锻件上冲掉。大量的中小口径锻坯（小于约255毫米，或10英寸）通常在水平放置的感应加热设备中加热，以提供快速的加热时间，改善工艺控制，并显著减少氧化皮。电阻加热是可取的，但很少使用。
在温、热加工过程中，钢对来自环境的表面冷硬有很好的耐受性。热锻过程中，需要对模具进行润滑，最常见的润滑剂是石墨。工装（模具）的温度在钢的锻造生产中至关重要。当工件温度达到1285 ℃(2350 ℉)时，在预热到150°C (300°F)以下的模具上出现产品变形的情况并不少见。绝大多数情况下，钢对各种工艺条件都有很好的耐受性。
摘译自《ASM Handbook Volume 04C - Induction Heating and Heat Treatment》P 293
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