鍛造余熱熱處理技術(shù)應(yīng)用探討

宋 雯

（中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

鍛造行業(yè)是能耗大戶，合理的熱處理技術(shù)可避免鍛造余熱浪費(fèi)，此外，鍛造構(gòu)件通過熱處理后還能提升產(chǎn)品質(zhì)量，改善性能，延長使用壽命，是最直接、最有效的鍛造節(jié)能方式。但熱處理自身能耗比較高，鍛造構(gòu)件降低到室溫后再進(jìn)行加熱處理，會造成大量余熱浪費(fèi)，而且會對周圍的環(huán)境造成影響。只有將鍛造工藝和熱處理結(jié)合到一起，鍛造構(gòu)件成形后，及時利用鍛造余熱進(jìn)行處理，可省去再加熱環(huán)節(jié)，既能提升鍛造構(gòu)件的性能，還能避免鍛造余熱浪費(fèi)，一舉多得。

1 鍛造余熱熱處理的必要性

鍛造加工中需要消耗大量能源，而鍛件的熱處理占據(jù)了整個鍛件生產(chǎn)能耗的30%～35%，國內(nèi)每噸鍛件的綜合能耗為1.2t～1.5t 標(biāo)煤，每噸模鍛件的能耗為0.8t～1.2t 標(biāo)煤。和國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，仍有很大的差距，例如工業(yè)發(fā)達(dá)國家的綜合能耗為0.7t～0.8t 標(biāo)煤，尤其是日本每噸鍛件的綜合能耗只有0.515t 標(biāo)煤。鍛件消耗占鍛件總成本的8%～12%。鍛造余熱熱處理既可以減少鍛件的成本，也可以增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，而能源問題同樣關(guān)系到一個國家的可持續(xù)發(fā)展。就目前我國熱處理工藝而言，能耗非常高，具有很大的節(jié)能潛力，但也有一定數(shù)量的三廢排放，對環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。因此，對鍛造余熱熱處理技術(shù)的分析研究，既有助于節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本，也有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境，值得高度重視。

2 常用的鍛造余熱熱處理技術(shù)

常用的鍛造余熱熱處理技術(shù)有三種，包括余熱淬火、余熱退火、余熱等溫正火，每種鍛造余熱熱處理技術(shù)都有其獨(dú)特的特點(diǎn)，具體如下。

2.1 余熱淬火

余熱淬火熱處理技術(shù)是當(dāng)鍛件成形之后，若溫度和高于Ar3，淬入合適的淬火介質(zhì)中，可獲得馬氏體。鍛造加工的構(gòu)件利用鍛造余熱進(jìn)行淬火，既能獲得良好的機(jī)械性能，也可以節(jié)約能源，縮短鍛造構(gòu)件的生產(chǎn)周期，節(jié)約生產(chǎn)成本。鍛件經(jīng)過鍛造余熱淬火并高溫回火后，其強(qiáng)度要明顯提升，塑性和韌性要略低于普通調(diào)質(zhì)。若回火的溫度高于普通調(diào)質(zhì)回火溫度40℃～80℃，其塑性和韌性會得到明顯改善，可很好地改善鍛造材料的切削加工性能。比如：某鍛造生產(chǎn)企業(yè)以生產(chǎn)微型車曲軸鍛件為主，鍛件材料為40CrH，熱處理技術(shù)的要求為：鍛件經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，金相組織要介于1～4級之間，硬度要介于241HBW～285HBW 之間。常規(guī)調(diào)質(zhì)工藝為當(dāng)鍛件加工完成，冷卻都室溫后，再加熱到850℃，保溫一段時間，淬入濃度為10%的PAG 淬火劑中進(jìn)行淬火，淬火完成后進(jìn)行回火，整個調(diào)質(zhì)過程在連續(xù)式調(diào)質(zhì)線上完成。

鍛造余熱淬火工藝為當(dāng)鍛件加工成形后，直接淬入淬火油中進(jìn)行淬火，淬火完成后鍛件在連續(xù)式回火爐中集中進(jìn)行回火。此種淬火工藝省去了鍛件冷卻到室溫，又加熱的環(huán)節(jié)，而且淬火好的各項(xiàng)性能也不低于常規(guī)淬火，而且可以節(jié)約淬火加熱用電至少259kWh/t，簡化了淬火工藝，也縮短了鍛件生產(chǎn)加工周期。

2.2 余熱退火

鍛件的余熱退火是在鍛件成型后，溫度在Ar3 以上（對于亞共析鋼）的情況下，進(jìn)入退火爐中控制冷卻，以獲得正火的組織。由于鍛造加熱溫度高，因此，該工藝處理后的鍛件晶粒變得粗糙，通常被用來進(jìn)行預(yù)熱處理，而不適合需要高晶粒度的鍛件。經(jīng)處理后的組織為珠光體+鐵素體的均衡結(jié)構(gòu)，經(jīng)熱處理后的粗晶粒沒有組織遺傳，可以再細(xì)化[1]。比如：某鍛件材料，熱處理要求為退火，要求退火熱處理后，其硬度在163HBW～269HBW 之間，最終的熱處理工藝為調(diào)質(zhì)熱處理，退火的主要作用是降低鍛件的硬度，方便后期加工，并獲得較為均勻的金相組織，為調(diào)質(zhì)處理做準(zhǔn)備。

鍛造余熱退火是將鍛件放入保溫箱內(nèi)，保溫一段時間，然后再將其取出，可以獲得不含貝氏體和其他不規(guī)則組織的珠光體+鐵素體組織。而且組織中沒有嚴(yán)重的魏氏組織，其硬度接近于正火，不會影響到鍛件后期的粗加工。

結(jié)果表明，由于各零件的變形程度差異，造成了大尺寸的晶粒粗大，而采用余熱退火工藝的鍛件比正火工藝的晶粒度要大。另外，通過鍛造余熱退火處理后能夠獲得珠光體+鐵素體的均勻結(jié)構(gòu)，不存在遺傳性，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，可以對其進(jìn)行再加工[2]。經(jīng)過精整和調(diào)質(zhì)處理，其切削性能、調(diào)質(zhì)處理后的金相和力學(xué)性能均與使用前處理時基本一致，正常使用后沒有任何不良反應(yīng)。鍛件鍛造余熱退火工藝可完全利用鍛造余熱，不需要再對鍛件進(jìn)行二次加熱，可以節(jié)省大量的電力，縮短熱處理爐的運(yùn)行時間，降低人力成本和設(shè)備維護(hù)成本。

2.3 余熱等溫正火

鍛件的余熱等溫正火是指在鍛件成型后，在溫度大于Ar3（亞共析鋼）的情況下迅速冷卻，然后在一定的時間內(nèi)進(jìn)行保溫，然后再將其空冷到室溫。鍛件成型后的溫度在900℃～1000℃之間，急冷速率在30℃～42℃/分鐘，等溫溫度在550℃～680℃之間。急冷是此項(xiàng)技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)，它可以通過調(diào)整冷卻風(fēng)量、風(fēng)速、風(fēng)溫和風(fēng)向來實(shí)現(xiàn)冷卻后的溫度均勻。等溫溫度取決于材質(zhì)和所需的硬度，通常選擇在珠光體過渡曲線的鼻端，以縮短等溫保溫時間。鍛造余熱等溫正火主要應(yīng)用于碳化的齒輪鋼，如SCM420H，SCM822H，SAE8620H，20 CrMnTiH 等。

比如：某轎車變速箱齒輪鍛件，采用了20MnCr 5JV 和27MnCr5JV 材料，要求鍛件鍛造完成后進(jìn)行等溫正火處理，以得到鐵素體+珠光體，不能存在粒狀的貝氏體。并且晶粒度需要在6～9 級之間。在實(shí)際生產(chǎn)中為降低能耗，節(jié)約成本，滿足鍛件加工要求，利用部分鍛造余熱對其進(jìn)行等溫正火處理。在鍛件成型后，經(jīng)輸送帶送入加熱爐中，在此期間，將鍛件的溫度降到550℃～600℃，再用加熱爐將其加熱到900℃～920℃，保溫后再送入速冷室進(jìn)行快速冷卻。在快速冷卻后，鍛件的溫度在600℃以下，在580℃～600℃的等溫條件下，等溫1 小時，再進(jìn)行空冷。經(jīng)此處理后，鑄件的金相組織為鐵素體+珠光體，不存在顆粒狀貝氏體[3]。具有合適的硬度和較好的切削性能，經(jīng)熱處理后的齒輪變形達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)。與傳統(tǒng)等溫正火比較，局部煅燒后的余熱等溫正火可以節(jié)省大量的高溫加熱工序，節(jié)約電力150kWh/t。

3 鍛造余熱熱處理技術(shù)應(yīng)用時需要注意的問題

3.1 鍛造余熱淬火處理需要注意的問題

加熱、保溫、冷卻、回火是鍛造余熱淬火熱處理技術(shù)應(yīng)用需要高度重視的問題，任何一個細(xì)節(jié)把控不當(dāng)，都會影響鍛件淬火的質(zhì)量。鍛件在加熱過程中，如果溫度不一致，則鍛造余熱淬火處理后的產(chǎn)品硬度會出現(xiàn)很大的變化，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的品質(zhì)不穩(wěn)定。在普通的室內(nèi)爐中，若放置了大量葉片加熱，會出現(xiàn)這樣的情況。為解決這一問題，可采轉(zhuǎn)底電阻加熱爐，確保了每一片的加熱溫度和保溫時間都是相同的，因此，在經(jīng)過鍛造余熱淬火后，每個葉片的性能都是穩(wěn)定的、一致的。

冷卻：形變熱處理能改善鍛造構(gòu)件的淬火性能。原來用水淬油冷的材料，可直接用油淬，比如45*和40 Cr 的曲軸連桿。以前用油淬火的材料可進(jìn)行空淬。比如1Cr13、2Cr13，經(jīng)過高溫淬火后，可以在空中淬火，但在冷卻之前，必須要達(dá)到淬火的條件。若堆疊在一起，則各層葉片的冷卻狀況也不盡相同，如位于中央的一層，會由于退火而導(dǎo)致碳化物沉淀，導(dǎo)致晶粒變大、強(qiáng)度降低、沖擊韌性降低，故應(yīng)注意確保冷卻的要求和條件符合鍛造余熱淬火工藝的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。

回火溫度：回火溫度由鍛造工件的使用要求和技術(shù)條件來確定，精鍛壓氣機(jī)片多為1Cr13 或者是2Cr13材質(zhì)，需要在調(diào)質(zhì)條件下進(jìn)行，因此，進(jìn)行鍛造余熱淬火之后，應(yīng)立即進(jìn)行高溫回火。回火溫度略高于常規(guī)調(diào)質(zhì)處理，有利于提高力學(xué)性能和切削性能。通常情況回火溫度要低于455℃或者是高于540℃[4]。若在550℃～600℃之間的溫度下回火，會析出大量彌散度比較高的碳化物，導(dǎo)致鍛造構(gòu)件的抗腐蝕性能下降，沖擊性能也有所下降。只有在600℃以上的回火溫度才能很容易地實(shí)現(xiàn)合金元素的擴(kuò)散，提升鍛造構(gòu)件的抗腐蝕性能。

3.2 鍛造余熱退火處理需要注意的問題

當(dāng)鍛造構(gòu)件形成之后，可采用合適的冷卻速度，將鍛件溫度降低到合適的溫度，放置到保溫箱中進(jìn)行退化處理，以取代正火工序。比如：某鍛造構(gòu)件的材料為40CrH，原工藝為在冷卻到室溫的鍛件重新加熱到860℃進(jìn)行正火處理，鍛造余熱退火是鍛造后鍛件直接放入保溫箱中，持續(xù)保溫一段時間后再取出。鍛造構(gòu)件要求在正火熱處理后在大頭軸徑位置檢查布氏硬度。為驗(yàn)證鍛造余熱退火后構(gòu)件不同部位的硬度，需要對構(gòu)件的大頭軸徑、小頭軸徑、連桿軸徑等部位都進(jìn)行布氏硬度檢測。通過改變鍛件進(jìn)入保溫箱的溫度和保溫時間，可選擇熱校正處理后，直徑放置到保溫箱中進(jìn)行保溫。此種退火處理方法在保溫箱中會停留較長時間，金相組織中也沒有明顯的魏氏組織，這是因?yàn)殄懠b箱過程中會出現(xiàn)降溫現(xiàn)象，導(dǎo)致鍛件在高溫狀態(tài)下停留的時間比較短，一般情況下，鍛件裝入保溫箱中后其溫度就已經(jīng)降低到700℃以下。鍛件不同位置退火熱處理后，其變形量也不相同，鍛件截面厚度不同，在冷卻時冷卻速度也不相同，會導(dǎo)致不同截面的晶粒粗細(xì)出現(xiàn)較大差異。截面大的部位晶粒比較粗。采用鍛造余熱退火處理后鍛件晶粒度要比常規(guī)正火處理的晶粒度大，有利于后期切削和精加工處理。此外，通過鍛造余熱退后處理后的鍛件能夠得到珠光體+鐵素體的平衡組織，可滿足多種條件下使用的要求。

3.3 鍛造余熱等溫正火處理需要注意的問題

在進(jìn)行鍛造余熱等溫正常處理過程中需要注意的問題主要有以下幾個方面：

3.3.1 鍛件的溫度控制

鍛件成型后，其溫度應(yīng)高于Ar3（亞共析鋼），鍛件的溫度在鍛壓后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，可直接進(jìn)行快速冷卻；鍛件在鍛件溫度波動大或橫斷面變化大的情況下，應(yīng)在急冷之前將各部件的溫度保持一致，以免出現(xiàn)急冷后的鍛件或不同斷面的溫度有很大的差異，從而出現(xiàn)貝氏體和馬氏體等異常組織。

3.3.2 冷卻速度的控制

在急冷工藝中，需要對鍛件進(jìn)行迅速的冷卻，而在冷卻后，相同的鍛件和同批的鍛件的溫度是均勻的（或類似的）。同時，必須控制快速冷卻的速率，快速冷卻會使鍛件內(nèi)部出現(xiàn)魏氏結(jié)構(gòu)。急冷的溫度一般為30℃～42℃/分鐘。

3.3.3 快速冷卻后的溫度控制

在快速冷卻后，應(yīng)確保鍛件的溫度處于珠光體過渡區(qū)域，而不能低于貝氏體的起始溫度，否則會產(chǎn)生貝氏體。如果快速冷卻后的溫度升高，則會使先析鐵素的體積增加，而組織轉(zhuǎn)化后的晶粒之間的間隔較大，從而降低了工件的硬度。鍛件的急冷后溫度通常控制在80℃～100℃之間。

3.3.4 選擇合適的等溫溫度

等溫溫度對等溫正火后的鍛件的硬度有很大的影響，等溫溫度越高，其硬度越低，等溫越低，其硬度越大。等溫溫度通常是高于鍛件材料Bs 溫度50℃～80℃，具體的溫度要通過試驗(yàn)來決定。

4 結(jié)語

綜上所述，本文結(jié)合理論實(shí)踐探討了鍛造余熱熱處理技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)果表明，鍛造余熱熱處理技術(shù)的應(yīng)用對節(jié)約鍛造能耗，降低生產(chǎn)成本等具有重要意義。余熱淬火、余熱退火、余熱等溫正火是常見的鍛造余熱熱處理技術(shù)，每種熱處理技術(shù)都有其獨(dú)特的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，在實(shí)際應(yīng)用中，需要結(jié)合鍛件的特點(diǎn)和使用要求，選擇合適的鍛造余熱熱處理技術(shù)，并加強(qiáng)對注意事項(xiàng)的把控，才能獲得高質(zhì)量、高性能的鍛件。