锻造余热调质的几种工艺方法

热处理老马

利用锻造余热调质节能降耗几种方法
! q& i+ u3 S4 F7 V3 u         锻轧余热利用的意义和现状
  锻轧行业是能源消耗大户，而锻件热处理又是锻件生产中能源消耗大户，约占整个锻件生产总能耗的30%～35%。我国每吨模锻件的能耗约为1.0t标煤，与国外工业发达国家相比，存在很大差距，例如日本和德国每吨模锻件的能耗约为0. 515t标煤。锻件能耗约占锻件成本的8%～10%，降低能耗不仅可以降低锻件生产成本，提高企业经济效益，而且能源问题又是关系到一个国家能否可持续发展的重要问题，甚至是关系到人类生存的全球性重大问题。所以充分利用锻造余热进行热处理，在节能降耗、提升效率等方面有着显而易见的优势，既节约能源、缩短工艺流程，又保护环境。
       可以利用锻轧余热进行热处理的工艺大致分为以下余热退火、余热正火、余热调质三种。锻造余热热处理是上世纪八十年代传入我国的，当时称之为《变型热处理》；引进当时得到了国家相关部门的重视，引起了中小锻件企业的关注，特别是JB/T4202-88《钢的锻造余热淬火回火处理》发布后较多企业立项上马试生产。但都因生产中小锻件的企业多是民营企业，而该类企业当时的质量体系不健全，检测器具不完备，专业技术人员能力有限，《标准》指导性、适用性较差，冷却能力控制不足、无法攻克淬火开裂、产品质量不稳定几大难题而纷纷落马。
余温热处理三大优势
1.节能优势： 所有的热处理种类都需奥氏体化加热，加上经过不同而锻造变型也需奥氏体化加热后方可进行；锻造余热热处理是将锻造和热处理两种不同的加工工艺有机地结合在一起，减少工件一次奥氏体加热的能耗和时间。
2.提高材料的机械性能：因余热调质件的基体组织中保留了锻造变形产生的细碎、错位晶粒（恒温处理）的组织形态，提升了工件的机械性能，与普通热处理相比较，锻热淬火后可使各项力学性能分别提高：硬度+10%、抗拉强度+3%~10%、伸长率+10%~40%、冲击韧性+20%~30%。此外经锻热淬火后，材料具有很高的回火抗力，强化效果可以达到600℃以上的温度。
9 ]1 f( |3 O: f( R 3.降低生产周期和转运费用，余热调质从锻造投料开始，最快速度工件八小时就可进入加工工序，而以常规调质方式进行，从锻造投料至加工工序， 可以有效较少周转时间36小时以上， 正常情况锻造车间至热处理车间都有长短不一的距离，如是外协热处理，还需配备运输工具和装卸费用。
利用余温热处理几种常规工艺
.1.余温退火：对高碳钢和高碳合金钢材材料而言、锻坯终锻后在空气中冷却，工件表面就会产生不同深度的碳化物、硬度高，加工难度大如果不进行退火处理，加工成本将无限上升。余温退火工艺可根据材料成分和材料加工要求，通过结晶再加热退火，细化晶粒快速退火、往复球化等工艺进行。
  d1 @8 c* t" f! P' m# M2.余温正火：对低碳钢和低碳合金钢材料而言，锻坯终锻后在空中冷却，工件表面就产生不同程度的脱碳层，基体组织内也易产生带状组织；这种状态的工件，在加工时，一是易产生粘刀情况，粗糙度差，二是变形量大，不利于后续的化学热处理和精加工。本工艺视材料成分、组织要求，加工要求进行工艺选择，工艺特点就是结晶再加热，有效提升材料金相组织性能，降低30%能耗。
. c7 D2 E8 e4 p2 d. w3.调质：对中碳钢和中碳合金材料而言，锻坯终锻后，在空气中冷却，基体组织就只有铁素体和珠光体，材料氧化脱碳严重，工件的硬度差异大；而这两种材料的产品对硬度、基本组织、机械性能都有严格的技术要求。如果有效利用余温淬火处理，可避免资源浪费，提升材料性能，符合金属材料素化方向，减少和昂贵合金添加量。达到本企业降本增效，对社会节能环保的双重功效。本文重点介绍余温调质工艺。
$ \/ G! ~7 n2 _7 X+ }目前锻造余温热处理应用种类
5 _5 }1 ^( L- @3 ?. x' D# u4 u6 I目前还在应用锻造余热热处理的企业，多是注重企业管理，技术人员培养，技术装备齐全的同行业佼佼者；采用传送带控制坯件终锻后的停留时间，降低材料冷速，牺牲材料机械性能，可以说只达到了粗浅应用阶段。
   余温调质根据材料性能要求和材料成分、形状等因素，分为余温直接淬火、余温亚温淬火、控温淬火，低温形变淬火等，从最终获得金属组织性能优劣来讲，控温淬火和余温恒温淬火获得的材料性能最优秀，通过合理环保水基冷却介质，变形量和开裂倾向大大降低，材料稳定性最佳，全面超越再加热调质工艺。
: k- t& N* e/ R锻件成形后利用锻造余热直接进行淬火作业，把锻造和热处理紧密结合在一起，可以简化工序节省燃料能源，从而达到提高材料强度，改善塑性和韧性的强韧化效果，提高劳动效率，降低生产成本，此工艺和普通调质相比，硬度、伸长率、强度、冲击韧性等都有很大程度提高。
( C# ?; l' b5 @! j3 _    此工艺适合模锻和自由锻工件以及轧件，严格控制工艺流程以及操作时间，终锻后淬火前工件余温基本保持一致。为了获得最佳强韧效果，锻造温度严格控制不能太高，避免工艺过程中奥氏体的聚集再结晶发生，锻造后淬火前的停留时间，是现场作业重要数据参数。经过数次实验说明，随着停留时间的延长，钢的硬度、强度和冲击韧性同时降低，锻造温度越高，这种下降趋势越明显，所以锻造后应立即淬火，如操作有困难，碳钢有短时间的停留，合金钢时间可以适当延长。这样淬火工件性能稳定性也是一致的。本工艺适合一般技术要求的调质件，对锻造余温以及热处理工艺衔接要求较高，对材料基体和冷却介质选用综合要求严格。
2 ]0 V  A" Y8 K另外两种工艺为锻后控温淬火以及锻后亚温淬火，这是要根据材料所需性能决定工艺。
! L1 i  y, r; s1 V" C+ y0 V余温淬火几个控制要点
⑴ 稳定可控的加热系统。坯料的加热系统为中频感应或者电炉、燃气炉加热。确定合适的淬火温度，并能有效加以控制。合适的锻造余热淬火温度需根据试验确定，实际操作中可通过控制锻造加热温度、锻后停留时间来实现。
5 m/ E& L# O' \- w) z3 H3 B9 d（2）配置红外测温仪和温度分选系统，将低于淬火温度的锻件分选出去;当锻造加热温度稳定、锻造过程也稳定时可配置工序时间测量和报警系统，通过控制工序时间达到控制淬火温度的目的。
  ⑶ 良好的淬火系统。在保证淬火效果的前提下选择冷却能力较合理的淬火剂，以防止严重淬火变形和开裂。由于锻造直接余热淬火和控冷淬火温度比普通淬火温度高，因此锻件淬透性较好。淬火槽应有足够的容积，冷却时间可控，另外还要配置淬火介质循环、冷却系统，淬火介质温度自动控制，加强对淬火介质的维护，定期检测淬火介质的冷却性能，清理液槽及循环系统中的氧化皮等杂质，保持淬火介质的清洁。
) A& y4 O9 j4 f3 G, O+ S⑷ 淬火后的回火和回火炉的配置位置。锻件淬火后其内部存在较大应力，导致放置过程中产生较大变形甚至开裂。为防止淬火后零件变形和开裂，淬火后锻件应及时回火。锻件淬火后可搁置时间与锻件材料、形状和环境温度有关，需根据试验确定。为节约能源和提高回火炉的利用率，降低保温能耗，采用余热淬火的锻件一般在热处理车间集中回火。有条件的可以用连续炉回火。
" l+ F! B! D4 r: c, h) v$ y余温淬火案例
) g  X  a0 j- m% V* t2 m0 B6 y      40Cr锻造135柴油发动机连杆为例，原来工艺为下料-模锻（形变量40%）-预备热处理-调质，经检测，平均硬度HRB250-260,抗拉强度平均值为799Mpa，延伸率为20.6%，断面收缩率65.5%，冲击韧性纵向为163J，横向59J,材料表面有氧化脱碳现象。更改为锻余热淬火后，锻造温度1150℃，经模锻切边、校直后淬入我公司MEQ-6H-1水基淬火液中，冷却后进行650℃回火，连杆表面氧化脱碳现象减轻75%以上，性能检测如下(平均值）：硬度HRB252~260、抗拉强度856Mpa、延伸率19.5%、断面收缩率66.1%、横向冲击韧性94J、纵向冲击韧性为166J,煅余热生产的连杆经过179KW\2200r/min的1800小时运转试验，产品质量稳定，效果良好，每吨钢减少正火和淬火加热耗能500元人民币。
       生产实践证明，利用锻造余热进行热处理是可行的，通过合理控制锻造后冷却参数，锻件组织和性能达到或超过普通热处理水平。同时，利用某些锻造余热热处理工艺时晶粒粗大的特点，可改善锻件的切削加工性能。利用锻造余热进行热处理，节约了热处理加热过程所消耗的大量能源，降低了生产成本，经济效益显著，有广泛的应用前景。
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