大型锻件的最终热处理 / 开普饭

大型锻件经粗加工进行的热处理称为最终热处理。多采用淬火、正火及随后的高温回火等工艺，以达到技术条件所要求的性能，或为后续热处理过程准备良好的组织条件。

1 大锻件淬火、正火时的加热

1.1 加热温度

为使负偏析区在加热时达到淬火或正火温度，大锻件的淬火或正火温度应取规定温度的上限。对于碳偏析比较严重的锻件，可根据不同锭节的实际化学成分，采用不同的加热温度。大锻件用钢的淬火加热温度如表1 所示。

▼表1 常用大锻件用钢的淬火加热温度

1.2 加热方式

大锻件加热时，为了避免过大的热应力，应该控制装炉温度和加热速度。截面大、合金元素含量高的重要锻件，多采用阶梯式加热。即在但温装炉后按规定速度加热，在升温中间进行一次或两次中间保温。有些锻件采用较低的加热速度而不进行中间保温。只有截面尺寸较小、形状简单、原始残留应力较小的碳钢和低合金结构钢锻件，才允许高温装炉、不限制加热速度或在低温装炉后采用最大功率升温。

高温装炉直接加热时，锻件中不同部位的升温曲线，如图1 7-13所示。可以

看出，在这种情况下锻件表面与中心的最大温差很大，出现最大温差时工件心表

部温度低于200℃, 钢仍处于冷硬状态，易因巨大的温差应力而产生内部裂纹。

▲图1 Φ800mm 40CrNi钢坯加热曲线（炉温950℃装炉）

阶梯式加热时锻件中不同部位的升温曲线，如图2 所示。可以看出，由于采取了中间保温，在加热中出现了两次最大温差。第一个出现在心部温度为≈350℃时，数值仅为图1 7-13曲线的1/3。出现第二个最大温差时，锻件心部温度已升高至≈700°C, 钢已处于塑性状态，无开裂危险。当锻件尺寸很大时，加热中第一个最大温差的数值仍会较大，这时要在≈400°℃等温一段时间，待工件表面和心部都升至较高温度时再继续加热。这样可以减小第一个最大温差的数值和使其在更高些的温度范围出现。

▲图2 Φ900mm 42CrMoV锻件加热曲线

1.3 升温速度

锻件在加热过程的低温阶段，升温速度要控制在30~70°C/h 。经中间保温后，整个截面上塑性较好，升温速度可以快些，一般取50~100°℃/h 。

1.4 均温与保温

当加热炉主要测温仪表（一般台车式炉指炉顶测温仪表，井式炉指各段炉壁仪表）指示炉温到达规定温度时，即为均温开始，至目测工件火色均匀并与炉墙颜色一致时为均温终了。为使工件心部达到规定温度、完成奥氏体转变并使其均匀化，锻件在均温后尚需进行保温。保温时间根据工件有效截面确定。对碳素结构钢

与低合金结构钢锻件，保温时间按0.6~0.8h/100mm计算。对中、高合金钢锻件，按0. 8~1h/100mm计算。各种形状锻件有效截面计算方法见表2 。

▼表2 有效截面计算方法

2 大锻件淬火、正火时的冷却

在大锻件淬火、正火冷却过程的工艺参数中最关键的是选择恰当的冷却速度和终冷温度。

对于性能要求很高的高合金钢大锻件，必须选择能够保证工件心部奥氏体完全躲过珠光体和上贝氏体转变的冷却速度，以使锻件沿整个截面获得下贝氏体或下贝氏体加马氏体组织。终冷温度的选择主要取决于锻件的冶金质量。对于夹杂物、气体含量都很少，化学成分十分均匀的优质电站大锻件终冷温度可选择为40~60°C或60~80℃。对于冶金质量较差的锻件，终冷温度可提高至200~250℃。在终冷温度下的保持时间，应以使锻件心部完成所规定的组织转变为准。

对于大型碳钢和低合金钢锻件，冷却后获得下贝氏体的要求有时难于达到。这时应将心部奥氏体过冷到防止出现粗大珠光体和铁素体的温度，对低合金钢锻件终冷温度可选为400~450℃; 碳钢件可选为450~500°C。

对照相应锻件的冷却曲线和所用钢种的过冷奥氏体连续转变曲线，可获得锻件尺寸、冷却速度、冷却时间、终冷温度以及转变产物与性能水平等方面的完整资料。从图2 所示实例可以看出，为使锻件心部无珠光体，应保证锻件心部冷却速度。

▲图2 3.5%Ni-Mo-V钢奥氏体连续冷却转变与

不小于υ1终冷温度不高于450°C。如要使锻件心部获得马氏体组织，必须保证锻件心部冷却速度不低于υ2, 且应过冷到300℃以下。在确定终冷保持时间时，必须充分考虑组织转变热效应的影响。

2.1 冷却方式及冷却曲线

大锻件常用的冷却方式有：静止空气冷却、鼓风冷却、喷雾冷却、油冷、水冷、喷水冷却及水淬油冷、空－油冷却（延迟淬冷）、水－油双介质淬火、油－空双介质淬火等。这些冷却方式并不能完全满足大锻件冷却的要求，还有待于寻求新的淬火介质和冷却方法。对形状复杂、截面变化较大的工件，为使冷却均匀和减小淬火应力，有时采用工件在炉内稍降低温度后再出炉淬火的方法。

1. 水冷

水冷工件经高温回火后的强度、塑性、韧性和脆性转变温度等力学性能都比油冷好（特别是心部性能）。因此，在不引起缺陷扩大的前提下，应采用水冷。但是这时工件截面上的最大温差可达750~800°℃, 如锻件冶金质量不好，巨大的内应力会使工件产生裂纹甚至断裂。图3~图6是锻件的不同截面水冷曲线。

▲图3 Φ300×2000 9Cr钢锻件水冷曲线（水温20℃）

▲图4 Φ450 42SiMn钢锻件水冷曲线

▲图5 Φ920 NiCrMoV钢锻件水冷曲线

▲图6 Φ1350 NiMoV钢锻件水冷曲线

在判断锻件在淬火冷却中能否采用水冷时，首先应考虑锻件化学成分和基础性能的影响，按式（1) 计算出锻件的碳当量CE。

（1）

当计算结果（成分为质量分数）为：

1) 锻件中正偏析区的碳当量CE≤0.75%,正偏析区的碳含量≤0.31%时，锻件可以毫无危险地采用水淬。

2) 锻件中正偏析区的碳当量CE=0.75%~0.88%, 正偏析区的碳含量＝0.32%~0.36%时，锻件可以进行水淬，但须特别小心。

3) 锻件中正偏析区的碳当量CE≥0. 88%,正偏析区的碳含量≥0.36%时，若无特殊的指示与指导，禁止水淬。

随着大锻件用钢碳含量的逐步降低和电渣重熔、钢包精炼、真空除气、真空

脱氧等先进冶炼工艺的采用，大锻件的冶金质量有了明显提高，承受较大淬火应力而不引起开裂的可能性有所增加，应当扩大急冷和深冷的应用。

2. 油冷

油冷时锻件中最大温差比水冷小，一般不超过500℃。图7~图10 是不同截面锻件的油冷冷却曲线。采用空－油冷却（延迟淬冷）可显著降低工件内外温差（见图11 ) 。

▲图7 Φ200 42CrMoV钢锻件油冷曲线

▲图8 Φ460×2000 50Mn2钢锻件油冷曲线

▲图9 Φ700 40Cr2MoV钢锻件油冷曲线

▲图10 Φ1270 锻件油冷曲线

▲图11 Φ600 34CrNiMo钢锻件空冷（Ⅰ）

随后油冷（Ⅱ）的冷却曲线

3. 空冷

空冷或鼓风冷的冷却能力比水冷、油冷小得多，故在一定程度内可避免锻件内部缺陷的扩大，但空冷时锻件的性能潜力不能充分发挥。图12 、图13 是大锻件的空冷曲线。

▲图12 Φ650 45Cr钢锻件空冷曲线

（静止空气）加热温度：表面900℃

▲图13 Φ950 28CrNiMoV7.4钢锻件空冷曲线

4. 水淬油冷

图14 、图15 是水淬油冷冷却曲线。

▲图14 Φ400 40Cr钢锻件现在水

中（Ⅰ）后在油中（Ⅱ）冷却曲线

▲图15 Φ800 40CrNi钢锻件先在水中

（Ⅰ）后在油中（Ⅱ）冷却曲线

5. 双介质淬火

水－空－水、油－空－油双介质淬火方式，可使心部热量向外层传播，以减少锻件截面上的温差，使冷却比较均匀，降低淬火应力。

图16 所示为水－空双介质淬冷曲线。工件在空气中预冷 12min 后，随即水冷 2min、空冷3min 再交替冷却至35min, 然后空冷。

▲图16 Φ870 34CrMoA钢转子

锻件水-空双介质淬火曲线

6. 喷雾、喷水冷却

喷雾冷却是利用压缩空气与压力水的共同作用，使之成为细雾状向工件表面喷射的冷却方法。喷水冷却是将高压水直接向工件表面均匀喷射的冷却方法。在喷射冷却时，工件要旋转，以使冷却均匀。这种冷却方式的优点是在冷却过程中可以改变风量、水量及水压，以达到调节冷却速度的效果，使在不同冷却阶段得到不同的冷却速度。对有阶梯的工件，在不同截面处可以调节得到不同的冷却能力，使之获得相同的冷却速度。喷水冷却的冷却能力很强烈，高压水还可以猛烈冲刷工件加热时表面形成的氧化皮。

图17 所示为喷雾冷却曲线，图18 所示为喷水冷却曲线。

▲图17 Φ950 28CrNiMoV7.4钢锻

件在鼓风和喷雾冷却时的冷却曲线

▲图18 Φ1800 Cr-Ni-Mo-V钢锻件喷水冷却曲线

2.2 冷却时间的确定

冷却时间是指工件在冷却介质中停留的时间。冷却时间过短，会达不到要求的性能，而冷却时间过长、终冷温度过低，会增大淬裂的危险性。所以，确定适当的冷却时间及终冷温度，是大锻件热处理工艺中的一个重要问题。

在生产中的淬火冷却主要是控制冷却时间，而工件表面的终冷温度仅作为参考。冷却时间一般根据实测的各种冷却曲线，理论计算以及长期生产经验来确定。必须注意，即使相同截面的工件，在相同的淬火介质及冷却时间内冷却，也会由冷却设备容量、淬火介质的温度、介质循环条件及工件在介质中的移动方式等情况不同，造成工件心部温度的显著差别。所以，在规定冷却时间的同时，还要严格控制冷却条件。图19 和图20 所示为不同直径钢件在水冷、油冷、空冷时，心部冷却到450℃和300°C 时所需的冷却时间（淬火温度取为860°C, 淬火介质温度取为40℃) , 曲线是由实测数据整理而得到的。表3 列出一些具体冷却工艺可供参考，生产中根据工件形状、材质及生产条件，在制订具体冷却工艺时，作适当调整。

▼表3 具体冷却举例

水冷工件直径

▲图19 不同直径锻件心部冷却至

温度t=1/2（t淬+t介）的时间

▲图20

另外，也可采用简化公式来估计冷却时间

τ=a×D （2）

工件正火时，一般规定表面终冷温度为：碳素结构钢、低合金结构钢不高于250~40°℃; 高、中合金结构钢、模具钢，不高于200~350°C。

3 大锻件的回火

大锻件回火的目的是消除或降低工件淬火或正火冷却时产生的内应力，得到稳定的回火组织，以满足综合性能要求。在回火过程中还可继续去氢和使氢分布均匀，对降低或去除氢脆的影响是有利的。大锻件淬火后应及时回火，规定时间间隔如下：

（1) 碳素结构钢、低合金结构钢锻件直径不大于700mm者，小于3h; 直径大于700mm者小于2h。

（2) 中、高合金结构钢锻件，不超过2h。

（3) 水淬、水淬油冷锻件，模具钢、轧辊钢及其他重要锻件，均应立即回火。

3.1 回火温度的选择

大锻件的回火温度应根据对锻件性能、组织的要求和每个锻件的具体情况确定。用小试样作出的回火温度与性能之间的关系曲线，只能作为选择大锻件回火温度时的参考。

表4 是各种大锻件用钢的硬度与回火温度间的关系，表5 是屈服强度与回火温度间的关系，可作为选择回火温度的依据。但应指出，由于各工厂的实际生产条件和生产经验不同，同一钢号锻件的回火温度不必完全一致。

▼表4 各种大锻件用钢的硬度与回火温度的关系

▼表5 根据屈服强度选择回火温度参数表

3.2 回火中的加热与冷却

1. 入炉温度及升温前的停留时间

高合金钢大锻件淬冷终了时，心部尚有未充分转变的过冷奥氏体，在回火入炉温度下停留时，表面温度升高，心部硬度则继续降低，使心部尚未转变的奥氏体继续分解。所以，在回入炉的低温下长时间停留，实际上是心部继续冷却的过程。回火入炉温度应根据钢的奥氏体等温转变图来确定，一般Ms点附近，停留时间应保证过冷奥氏体得到充分转变。

碳钢和低合金钢锻件在淬火冷却中，过冷奥氏体转变已经基本完成，回火入炉后的只是为了减少锻件中的内外温差，以降低锻件中的内应力。

2. 升温、均温和回火保温

回火加热时所产生的热应力与淬火后的残留应力叠加，可促使工件中的缺陷扩大所以回火加热速度要比淬火加热速度低一些，一般控制在30-100°C/h。

高温回火时，炉测温表到温后即为均温开始，当锻件表面火色均匀且与炉膛颜色一致时即为均温终了。低温回火时无法判断火色，应根据实际经验，选择足够长的回火时间。均温结束即为保温开始。实际上，保温时心部继续升温到回火温度，并完成回火转变过程。淬火后的回火保温时间可选为≈2h/100mm, 而正火后的回火为≈1.5h/100mm.

3. 回火后的冷却与残留应力

大锻件高温回火后快冷，会引起大的残留应力，其数值主要取决于该钢的弹－塑性转变温度（碳钢和低合金钢为400-450°C, 合金钢为450-550°C) 以上阶段的冷却速度。为了减小锻件中的残留应力，应尽量降低锻件在高温阶段的冷却速度。为了缩短回火冷却时间以提高生产率，锻件在弹－塑性转变温度以下区域可以采取较快的冷却速度。

调质大锻件中的残留应力是热残留应力，沿截面的分布规律是：表面受压，心部受拉，由中心到表面近似为一条不对称的余弦曲线，中心处的输向应力约比切向应力大一倍。必要时可根据锻件用钢的物理参数与回火工艺过程对应力分布曲线进行定量计算。当只须控制锻件表面残留应力时，可以用以下经验公式进行估算：

（3）

通常对重要锻件规定为，经高温回火后工件表面的残留应力值不得高于其屈服强度的10% 或40MPa, 即可由上式算出在高温回火时应当采取的冷却速度。

4. 回火脆性（第二类回火脆性）

用对回火脆性敏感的钢材制造大锻件时，为获得较高的冲击韧度，要求回火后快冷。但这将引起大的残留应力。在不引起回火脆性的温度下（450℃) 再进行补充回火，可使残留应力降低50%左右。为了保证冲击韧度符合要求而残留应力又小，大锻件应采用对回火脆性不敏感的碳钢或添加：(Mo)为0.25%~0.5%或w (W) 为0.5%-1%的合金钢来制造，并尽量降低钢中砷和锅等杂质的含量。

采用合金化的方法来消除大锻件用钢的第二类回火脆性，是有局限性的，关键在于提高钢液的纯净度，尽量减少有害杂质磷、砷、硒、锑的含量及其在晶界上的偏析程度。

4 大锻件最终热处理工艺举例

一般常用大锻件用钢，按其导热性能，碳化物溶解的难易程度以及对终冷温度的要求，可划分为以下四组：

第一组碳含量（质量分数）小于0.45%的碳素结构钢及低合金结构钢；

第二组碳含量（质量分数）大于0. 45%的碳素结构钢及低合金结构钢；

第三组中、高合金结构钢；

第四组工模具钢。

一般大型锻件的第二热处理工艺规范可归纳为如表6 和表7 所列。各组按工件截面大小具体选定工艺参数。对截面更大、合金元素很高的重要锻件应参考专门著作慎重制定。

▼表6 大型锻件最终热处理工艺规范

（适用于煤气加热炉）

▼表7 1Cr13、2Cr1、Cr5Mo大型锻件热处理工艺规范

5 大锻件热处理后的力学性能

常用的不同截面的优质碳素钢、合金结构钢大型锻件，在调质处理后的力学性能列表8 和表9 ，不锈钢和耐酸钢锻件热处理后的力学性能见表10。各表中的性能数据皆指轴类锻件在距表面1/3半径处切取纵向试样的性能。

▼表8 优质碳素钢锻件热处理后力学性能

▼表9 大型合金钢锻件热处理好的力学性能

▼表10 不锈钢和耐酸钢热处理后的力学性能

6 大锻件的化学热处理

随着对大型重载齿轮、大型齿轮轴及其他大型耐磨、耐压件使用寿命和承载能力要求的不断提高，化学热处理（主要是渗碳和渗氮）在大锻件生产中的应用日益广泛，并已取得成效。

6.1 大型重载齿轮的深层渗碳

6.1.1 主要技术要求

为了防止齿轮表面硬化层被压碎和防止齿面剥落，大型重载齿轮的渗碳层深度应为齿轮模数的0.15~0.25倍，并保证在硬化层过渡区中切应力与抗剪强度之比不大于0.55。为使齿轮具有较高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，齿轮表层碳的质量分数应控制在0.75%~0.95%之间。经最终热处理后，对齿轮表面硬度要求分为4级：58~62HRC、55~60HRC、54~58HRC和52~56HRC, 心部硬度为30~46HRC.渗碳层中的碳化物颗粒应接近球形、直径小于1um并且比较均匀。渗层与心部间过渡平缓，自w (C) 为0.4%处至心部组织的深度应占整个渗碳层的30%。经长时间渗碳处理后心部晶粒度不应低于6级。

6.1.2 典型工艺

（1) 在大型滴注式气体渗碳炉中渗碳，典型工艺如图20 所示。