關于鍛后余熱熱處理的認知

韓海軍

（太原工業學院機械工程系，山西太原 030008）

關于鍛后余熱熱處理的認知

韓海軍

（太原工業學院機械工程系，山西太原 030008）

從熱處理的三階段入手，簡要介紹熱處理三個階段的實質、碳在金屬中的存在形式及作用，并詳細分析鍛后余熱熱處理的可行性及適用范圍，最后以兩個實例具體說明鍛后余熱熱處理的應用情況。實例應用表明，經過鍛后余熱熱處理后，鍛件具有了良好的綜合力學性能。

鍛后余熱 加熱溫度 鍛造溫度 正火處理 調質處理

早在20世紀50年代，國外就有人開始系統研究利用鍛造余熱進行熱處理，并于80年代開始大量應用此法。國外有德國克虜伯冶金公司和加拿大阿爾戈馬鋼公司等[1]利用鍛造后余熱對鋼軌進行正火處理，取得較好的性能。日本的NKK公司[2]利用鍛造后的余熱對重軌進行了淬火熱處理，處理后重軌的強度都不小于1 100 MPa，硬度、耐磨性均達到了較高的水平。國內有潘一凡、薛立端等[3-4]對利用鍛后余熱淬火工藝進行研究，結果令人非常滿意。研究表明，利用鍛后余熱對35CrMoA、PcrNiMo、45CrNi-MoVA鋼進行淬火處理后，能得到強韌化效果。李超等[5]利用鍛造余熱對40MnB的汽車輪轂管進行淬火熱處理，結果表明，與傳統淬火相比，綜合力學性能還略有提高。王榮濱等[6]利用鍛后余熱對Cr12模具鋼進行淬火處理后，同樣得到了“硬度、強度略有提高，韌性也得到了改善”的實驗結果。利用鍛后余熱除可以進行淬火熱處理外，還可以進行正火、退火熱處理。

1 熱處理的三個階段

加熱、保溫和冷卻是熱處理的三個階段，與其相對應的就是加熱規范、保溫時間和冷卻規范，統稱為熱處理規范。

1.1 加熱規范的制定

金屬具有熱脹冷縮的特性，同時還具有導熱性。現有的加熱手段就是利用其導熱性，一般都是先對金屬的外表面進行加熱，熱量再由金屬的外表面逐層傳導到金屬的內部，這樣就必然存在外表面溫度要高于內層溫度的現象，同樣外表面的體積膨脹就要大于心部的體積膨脹，當金屬外表面加熱得過快不能及時把熱量傳導到金屬心部時，內外溫差加大，金屬內外熱脹程度差別就增大，金屬就可能產生裂紋。為了避免裂紋的產生，需要根據零件的大小、形狀制定相應的加熱規范；另外還需要有充足的保溫時間使金屬奧氏體化。

1.2 冷卻規范的實質

在空氣中冷卻屬于正火熱處理，隨加熱爐等慢速冷卻屬于退火熱處理，而在水、油等介質中快速冷卻就是淬火熱處理。

依據冷卻方式及冷卻速度的不同，過冷奧氏體可形成多種組織，有珠光體、索氏體、托氏體、貝氏體和馬氏體等多種組織。因而，金屬通過熱處理后體現出不同的物理特性。

2 碳在金屬里的存在方式

碳在金屬里隨著碳含量的增加，依次以固溶體、滲碳體和石墨的形式存在。碳在低碳鋼中主要以固溶體存在，而在金屬里以固溶體形式存在的數量是有限的，所以在中、高碳鋼里，除了以固溶體形式存在的碳外，其余的碳就與鐵發生化學反應而生成Fe3C（滲碳體），以滲碳體的形式存在于金屬中。隨著含碳量的繼續增加，碳與鐵發生化學反應生成的Fe3C（滲碳體）趨于飽和，多余的碳就會析出形成石墨，這時碳就以石墨的形式存在于金屬中，比如各種鑄鐵中碳的存在方式。碳在金屬里的作用非常大，一般：含碳量越高，金屬的硬度越大、耐磨性越好、強度越大，但塑性越差；反之，含碳量越低，金屬的硬度越小、耐磨性越差、強度越小，但塑性越好。比如，鋼在淬火時，加熱、保溫后的奧氏體快速冷卻，很快處于低溫狀態，這時高溫態的γ-Fe通過同素異晶轉變到低溫態的α-Fe，而γ-Fe對碳的溶解能力比α-Fe大，多余的碳來不及從α-Fe晶格中擴散出去，就形成了碳在α-Fe中的過飽和固溶體，稱為馬氏體，具有高硬度、低韌性特點。

3 熱處理的加熱溫度與鍛造溫度

完全退火、正火及淬火的加熱溫度高于鐵碳合金相圖中A3線30～50℃，而鍛造終鍛溫度也在鐵碳合金相圖中A3線上下，這就決定了有些金屬鍛造后的溫度正好是該金屬熱處理的溫度。

鍛件到達終鍛溫度后，由于塑性降低就不能進行鍛造了，而此時鍛件的溫度由表面到心部呈逐漸升高的狀態分布。這種溫度的分布特點是常規熱處理不具備的。外表溫度低就很容易形成貝氏體和馬氏體，而心部溫度高就會形成珠光體和索氏體，具有這種組織的金屬力學特性就體現為外表面硬度大、耐磨，而心部韌性好。

由此可以得出“利用鍛后余熱來進行正火、退火及淬火等熱處理不僅可行，而且熱處理后效果可能會更好”的結論。

4 利用鍛后余熱熱處理實例

4.1 利用余熱正火處理實例

大鍛件鍛造后，放置在空氣中冷卻至其外表面溫度為550～600℃左右，此時鍛件心部溫度大約在850℃左右。隨后把該鍛件放置到加熱爐中，加熱到正火溫度880℃，并按傳統正火工藝時間的60%～80%進行保溫。隨后出爐空冷。該金屬正火熱處理工藝規范如圖1所示。

圖1 大鍛件正火熱處理工藝規范

4.2 利用余熱調質處理實例

大型鍛件在鍛造后，金屬的性能、組織都不均勻，必須經過熱處理進行改善。

調質處理一般是大型鍛件的最終熱處理方法。所謂調質處理就是淬火加高溫回火。鋼在調質處理后，即可具有良好的綜合力學性能（強度、硬度，塑性、韌性）。

4.2.1 淬火熱處理實例

大鍛件在進行淬火熱處理時，由于鍛件尺寸較大，其心部溫度比表面溫度高得多，當表面溫度為80℃時，心部溫度還高達850℃左右；當表面溫度為30℃時，心部仍有180℃左右。此外，在冷卻過程中鍛件表面和心部的奧氏體轉變釋放相變潛熱也造成鍛件心部冷卻速度減慢。鍛件在淬火過程中，等效應力始終小于屈服極限，因此鍛件在淬火過程中不會出現塑性變形現象。

4.2.2 高溫回火熱處理實例

對鍛件進行淬火熱處理后，即刻進行高溫回火熱處理。此時鍛件心部溫度還比較高，因而鍛件在加熱剛開始后，鍛件表面溫度逐漸升高，而心部溫度卻先下降、再升高，當鍛件整體達到回火溫度（560℃）時進行保溫。在加熱過程中，開始由馬氏體組織相變生成回火索氏體組織。回火保溫開始后淬火殘余內應力迅速降低，隨著保溫時間的延長，等效應力消除逐步減慢，當保溫時間達到6 h后，應力變化趨向穩定，此時再延長保溫時間收效甚微。回火熱處理后，鍛件心部為珠光體和鐵素體，次表面為貝氏體，表面為回火索氏體。

可見鍛件經過這樣的調質處理后具有了良好的綜合力學性能。

5 結語

利用鍛后余熱對鍛件進行熱處理，既可以省掉熱處理時對零件重新加熱所需要的時間，又可以節省加熱時的能源，是一種非常值得重視和利用的方法，特別是對于大型零件和用量比較大的如連桿、曲軸、凸輪軸、齒坯等汽車零件來說，利用鍛后余熱進行鍛件處理，經濟效益非常顯著。

[1]布新福.國外鋼軌余熱淬火工藝的發展[J].軋鋼，1993（3）：59-62.

[2]趙民，劉越表.重軌質量及發展戰略研究[J].現代冶金，2001（2）：39-51.

[3]潘一凡，趙茂程，衛家楣.鍛造余熱淬火工藝及應用[J].南京林業大學學報，1997，12（4）：85-89.

[4]薛立端.合金結構鋼鍛后淬火工藝的研究[J].應用技術，2006（6）：58-60.

[5]李超，強朝暉.汽車輪轂軸管鍛造余熱淬火工藝研究[J].熱加工工藝技術與裝備，2007（12）：65-67.

[6]王榮濱.節能鍛熱淬火提高模具壽命[J].緊固件技術，2007（4）：12-14.

（編輯：胡玉香）

Analysis on Heat Treatment Process of Afterheat Utilization

HAN Haijun
（Department of Mechanical Engineering of Taiyuan Institute of Technology,Taiyuan Shanxi 030008）

This paper introduces the essence of three stage of teat treatment,the metal form and function of carbon from the three stage of heat treatment,and analyzes the feasibility and scope of application of heat treatment,and indicates the application of heat treatment after utilization by two examples.The examples show that forgings afterheat utilization have good comprehensive mechanical properties.

afterheat,heating temperature,utilization temperature,heat treatment,thermal refining

TG151

A

1672-1152（2016）06-0039-02

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.06.14

2016-12-20

韓海軍（1968—），男，高級工程師，從事材料成型方面的技術研究工作。