宋 雯

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 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(zhǎng)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(huì)造成大量余熱浪費(fèi)，而且會(huì)對(duì)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(shí)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(gè)鍛件生產(chǎn)能耗的30%～35%，國(guó)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(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍有很大的差距，例如工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)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(gè)國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展。就目前我國(guó)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(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。因此，對(duì)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(huì)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(jí)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(shí)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(gè)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(jiǎn)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(duì)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(shí)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(huì)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(duì)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(shí)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(duì)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(shí)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(shí)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(shí)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(jí)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(duì)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(shí)，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(shí)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(gè)細(xì)節(jié)把控不當(dāng)，都會(huì)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(huì)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(huì)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(shí)間都是相同的，因此，在經(jīng)過鍛造余熱淬火后，每個(gè)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(huì)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?；鼗饻囟嚷愿哂诔Ｒ?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(huì)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(shí)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(duì)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(cè)。通過改變鍛件進(jìn)入保溫箱的溫度和保溫時(shí)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(huì)停留較長(zhǎng)時(shí)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(huì)出現(xiàn)降溫現(xiàn)象，導(dǎo)致鍛件在高溫狀態(tài)下停留的時(shí)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(shí)冷卻速度也不相同，會(huì)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(gè)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(shí)，可直接進(jìn)行快速冷卻；鍛件在鍛件溫度波動(dòng)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(duì)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(shí)，必須控制快速冷卻的速率，快速冷卻會(huì)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(huì)產(chǎn)生貝氏體。如果快速冷卻后的溫度升高，則會(huì)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?？刂圃?0℃～100℃之間。

3.3.4 選擇合適的等溫溫度

等溫溫度對(duì)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(duì)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(duì)注意事項(xiàng)的把控，才能獲得高質(zhì)量、高性能的鍛件。