大型锻钢件的淬火与回火

阿斯米

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]大型锻钢件是造船、铁路、电力、石化、冶金、航空航天等国家重大技术装备的关键部件和产品，在国民经济和现代高端科学装备的建设中发挥着极其重要的作用，其质量直接影响重大装备的整体水平和运行可靠性，关系到国民经济命脉和国家安全。热处理是提高大型锻钢件质量的关键技术。常用的热处理主要包括退火、正火、淬火和回火，相应的现行国家标准是GB／T16923—2008《钢件的正火与退火》和GB／T 16924—2008(钢件的淬火与回火》。但这些标准主要适用于按千克计量的中小型钢件，大型锻钢件按吨计量，一般重数吨甚至几百吨，而且大型锻钢件由于尺寸和重量大，存在成分偏析、组织不均匀、非金属夹杂、较多的孔洞和较大的热应力等缺陷，目前的热处理标准应用于大型锻钢件还存在一些问题。国家市场监督管理总局和中国国家标准化管理委员会于2019年6月4日和2019年5月10日分别发布了GB／T37559-2019《大型锻钢件的正火与退火》和GB／T37464-2019《大型锻钢件的淬火与回火》两项大型锻钢件热处理标准。本文依据2019年12月1日实施的GB／T37464-2019《大型锻钢件的淬火与回火》，主要介绍大型锻钢件的淬火和回火工艺。

1、大型锻钢件的淬火   

     淬火是将工件加热奥氏体化后以适当方式冷却获得马氏体或(和)贝氏体组织的热处理工艺。大型锻钢件的淬火主要是为了获得马氏体组织，提高钢的硬度和强度，它包括加热、保温、冷却三个过程，这三个过程是相互衔接，不可间断。制定淬火工艺时要确定装炉温度、升温速率、保温时间、淬火温度、均热时间等参数。图1为部分碳钢、低合金钢淬火与回火工艺曲线示意图。

1.1淬火加热(1)加热设备   大型锻钢件加热时应选用符合要求的热处理炉，且能实现升温速度可调可控，加热介质一般为空气，有特殊要求的工件可选用保护气氛炉。淬火加热炉有效加热区检测方法应符合GB/T9452《热处理炉有效加热区测定方法》或GB/T30824《燃气热处理炉温度均匀性测试方法》要求。加热炉有效加热区的温度均匀性应不超过±10°C，其余应满足GB/T16924《钢件的淬火与回火》及GB/T32541《热处理质量控制体系》规定的要求。

(2)装炉  针对大型锻钢件的形状特点和性能要求，应设计合理的工装和装炉方式，控制工件的热处理畸变。装炉时工件应放置在淬火加热炉的有效加热区内，保证炉气在其内外表面流动畅通，加热均匀。使用燃气炉加热时，应避免火焰直接喷射到工件上。对于细长轴工件宜垂直放置在热处理炉中进行加热。装炉温度应根据钢种和工件的有效厚度来确定，工件的有效厚度计算方法如表1所示。如常用的45、40Cr钢的有效厚度≤600mm时，其装炉温度≤400°C～450°C。工件装炉后应保温一段时间，以减小工件在蓝脆温度范围(250°C～350°C)内的温差。在保温之前锻件处于线弹性状态，如果表面与心部温差引起较大的热应力，可使工件在加热过程中早期开裂。

(3)加热方式   大型锻钢件截面尺寸较大，必然使工件在加热过程中产生巨大的表面与心部温差，进而造成锻件中的较大热应力。所以大型锻件的加热方式一般采用阶梯升温方式。通常根据工件的钢种和尺寸选择合适的装炉温度以较慢速率升温至弹塑性转变温度(一般在600°C～700°C之间)，在该温度下等温一段时间使工件内外温度均匀，然后以较快速率升温至淬火加热温度。

(4)淬火温度  钢的化学成分是决定其淬火加热温度的最主要因素，选择淬火温度的依据是钢的相变临界点。此外，还应考虑工件的材料牌号、性能要求、原始组织状态等因素。表2为部分常用钢种的相变点、淬火温度和冷却方式。大型锻钢淬火温度一般取相应材料淬火温度的上限，以保证偏析区也能达到相应的淬火温度，使工件充分奥氏体化。

1.2淬火均热、保温时间    均热是指工件在热处理炉内加热达到保温温度开始，到工件表面温度达到保温温度结束的过程。大型锻钢件的均热时间可根据经验估算(一般为工件表面温度均匀一致并与炉墙颜色相同时为止)，也可以在工件表面安装载荷热电偶，以工件表面载荷热电偶温度全部达到淬火温度开始算保温。     保温目的是使工件内部温度均匀趋于一致，其保温时间最终取决于在要求淬火的区域获得良好的淬火加热组织。保温时间可根据钢种和工件的有效厚度来确定。碳钢和低合金钢的保温时间一般按0.6h/100mm～1.2h/100mm计算；中高合金钢或马氏体不锈钢的保温时间一般按1.0h/100mm～2.0h/100mm计算。
1.3淬火冷却    淬火冷却时，既要保证过冷奥氏体向马氏体转变，又不至于由于冷却速度过大而引起工件内应力增大，造成工件变形和开裂。因此，应采用适当的冷却方式，使工件表面各部位获得均匀的冷却。(1)淬火冷却设备     淬火槽应能容纳足以吸收工件热量的淬火剂；也可配置辅助淬火槽，辅助淬火槽与淬火槽之间循环泵的流量应能满足工件淬火需求。淬火槽中应设置搅拌系统及冷却循环装置，工件淬火时应设置可以在槽内上下或左右移动的工装或吊具。对于形状较为复杂的工件，可根据工件的特征设计相应的辅助工装。风冷、雾冷使用的喷风、喷水槽中喷嘴方向和压强可以根据工件尺寸形状进行调节，以获得均匀合适的冷速。液态淬火槽中应设置可显示冷却过程中淬火介质温度的感温元件，其测温仪表的分辨力≤5℃。淬火冷却介质及其使用应符合JB/T 6955(热处理常用淬火介质技术要求》的规定。液态淬火冷却设备技术条件应符合JB/T10457《液态淬火冷却设备技术条件》的规定。淬火冷却时使用的起重机应符合JB/T7688.6《冶金起重机技术条件第6部分：淬火起重机》的规定。(2)淬火冷却方式   大型锻钢件冷却时除了产生较大的热应力外，还会产生较大的相变应力。巨大的内应力，既会导致锻钢件中产生裂纹，甚至整体断裂，还会对其内部组织转变产生阻碍作用，从而推迟或减少奥氏体转变为马氏体。大型锻钢件的淬火冷却一般采取风冷、雾冷、油冷、水冷、水—油冷、水—空冷和水溶性淬火液冷却等方式。部分常用钢种的冷却方式见表2。在满足性能要求的基础上，尽量选择冷却过程中热应力较小的冷却方式。必要时，可在实际生产前采用计算机模拟技术或工艺性试验确认适当的冷却方式。如果想选择水冷，淬火前应对工件碳当量[C]进行计算，根据水冷数据进行可行性分析。碳当量[c]计算公式为：

     正偏析区碳含量≤0.31％，正偏析区碳当量[C]≤0.75％，可以采用水淬；正偏析区碳含量≤0.32％～0.36％，正偏析区碳当量【C】≤0.75％～0.88％，可以水淬，但应特别小心；正偏析区碳含量【C】>0.36％，正偏析区碳当量[C]≥0.88％，没有特别指导禁止水淬。

(3)淬火冷却时间。大型锻钢件的淬火冷却时间取决于工件心部的终冷温度，可通过计算机模拟制定和优化具体工艺参数。高合金钢工件的心部终冷温度一般在贝氏体转变终了温度Bf与马氏体开始温度MS之间，一般为200℃～350℃；中合金钢工件的心部终冷温度应低于奥氏体向珠光体转变的温度，一般为350℃～400℃；对于部分需要获得上贝氏体组织的中合金钢工件，终冷温度可高一些；对于冶金质量较好的大型锻钢件，工件心部终冷温度可低

于上述一般情况下的温度。

2、大型锻钢件的回火

      大型锻钢件淬火冷却结束后应尽快进炉回火，以防应力过大导致开裂。对于高合金钢等较易淬裂工件，淬火与回火间隔不应超过2h。制定回火工艺时要确定装炉温度、回火温度、回火加热速度、均热时间、保温时间和冷却速率等参数。

      装炉温度根据材料的过冷奥氏体等温转变曲线(TTT曲线)确定，一般为与贝氏体终了温度Bf和马氏体转变开始温度MS接近的温度。回火温度是决定工件回火后硬度的主要因素，可根据技术要求确定。     回火加热速度一般控制在30℃/h～100℃/h或者分段升温，具体可根据其钢种、尺寸和形状以及淬火冷却方式等情况进行调整。回火均热时间可按照回火保温时间的一半来估算。若工件表面放置热电偶，则以工件表面热电偶全部到达保温温度开始保温。回火保温时间根据工件有效厚度确定。一般情况下，每100mm有效厚度至少保温2h。回火后的冷却，对于有残余应力要求的工件，应尽量降低工件在400℃以上的冷却速率；对于易产生回火脆性的钢种，可根据工件具体形状和尺寸选择相应的冷却方法。     淬火工件回火时，随着回火温度的升高，通常强度、硬度降低，而塑性、韧性升高。但在某些温度范围内回火时，钢的韧性不仅没有提高，反而显著降低，即产生回火脆性。所以当回火温度≥400℃时要注意，对无第二类回火脆性的钢材，如45、35CrMo、45CrMo钢等，回火冷却可采用随炉冷或空冷；对具有第二类回火脆性的钢材，如40Cr、3Cr13钢等，回火冷却须采用快速冷却的方法(如水冷)消除脆性。

3、结论
       淬火和回火是为满足工件使用要求而进行的改善性能的热处理，淬火是为回火作组织准备，而回火则决定了工件热处理后的最终组织与性能。大型锻钢件因尺寸大和重量大而出现一系列问题，如严重的化学成分不均匀，过多的非金属夹杂物、缩孔、缩松，巨大的热容量和内应力等，使大型锻钢件的淬火和回火过程十分复杂。2019年12月1日实施的GB/T37464—2019国家标准规定了大型锻钢件淬火与回火技术要求与方法，适用于能源、冶金、运输等行业重型装备用大型锻钢件整体加热淬火与回火。     为获得一个性能、质量和使用寿命都好的大型锻钢件，应贯彻落实好相应的国家标准。
  作者：镇江高等专科学校，刘波             陆军军事交通学，黄晓燕、王悦

   来源：《锻压装备与制造技术》2020.3

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