軸類大鍛件鍛后余熱熱處理工藝研究

摘要：為提高鍛件熱處理組織力學性能并達到提高熱處理效率、降低生產成本、節能的目的，根據某船用大鍛件的力學性能要求，提出一種大型鍛件余熱熱處理工藝方法，該工藝方法由余熱正火和普通調質處理兩部分組成；基于有限元數值模擬軟件DEFORM-3D，對該鍛件的余熱正火、調質熱處理過程進行了數值模擬，獲得了鍛件余熱熱處理過程中的溫度、等效應力及組織變化規律。結果表明，相對常規熱處理工藝而言，在確保鍛件具有理想的熱處理組織及良好的綜合力學性能前提下，采用余熱熱處理工藝能有效地縮短熱處理加熱時間。

關鍵詞：軸類大鍛件；余熱正火；調質；數值模擬

Abstract: A kind of heat treatment process for afterheat utilization for long-shaft heavy forgings, including normalization with afterheat utilization as well as conventional thermal refining, is put forward to improve the microstructure and mechanical properties after heat treatment and the productivity effect and to decrease the production cost and energy consumption. The process is simulated based on the FEA software DEFORM-3D and the variation rules of temperature, equivalent stress and metallographic structure during heat-treatment are obtained. It shows that comparing with the conventional heat treatment, under the condition that the desired metallographic structure and comprehensive mechanical properties are guaranteed satisfactorily, the heating hours can be shorten greatly by adopting the heat treatment process for afterheat utilization.

Key words: Long-shaft heavy forging; Heat treatment for afterheat utilization; Thermal refining; Numerical simulation

1引言

大型鍛件鍛后性能、組織極不均勻，須通過熱處理進行改善[1]。相對于常規熱處理而言，余熱熱處理工藝毋須將鍛件重新加熱到奧氏體化，可節省大量的能源，且其對現有生產線也無較大改造[2]。

采用數值模擬方法既可以研究熱處理過程的溫度、組織和應力分布，又可節省現場試驗的費用、時間和精力，還能對熱處理工藝參數進行優化，能在實際生產中起到很好的指導作用。

本文根據某鍛件力學性能要求制定出合理可行的余熱熱處理工藝,采用有限元數值模擬軟件DEFORM- 3D對該鍛件在余熱熱處理過程的溫度變化、組織轉變和應力分布情況進行了研究。

2余熱熱處理工藝的制定

某船用中間軸鍛件材料為35CrMo合金結構鋼，其實際尺寸如圖1所示，熱處理后力學性能要求如表1所示。含碳量0.25%～0.6%的合金結構鋼鍛后一般都要進行正火或正火加高溫回火，經機加工后進行調質處理。為此，制定出的35CrMo大鍛件熱處理工藝包括以下兩個階段：第一階段為熱處理預先工藝，即鍛造后的余熱正火；第二階段為最終熱處理工藝，即調質處理。

單位：mm

圖1某船用中間軸鍛件圖

表1某船用中間軸力學性能要求

在熱處理過程中，鍛件內部溫度場的變化很大程度上取決于鍛件直徑，而軸向長度對溫度變化影響不大[2]；本文研究的船用大鍛件的長徑比遠大于3，故可忽略兩端的影響[3]。為降低試驗成本，采用如圖2所示的一端帶法蘭的長軸類鍛件（長徑比約3.5）進行模型試驗。

單位：mm

圖2模型試驗鍛件尺寸

2.1 余熱正火工藝規范的制定

為充分利用鍛后余熱、降低能耗，并有效避免鍛件心部在回爐正火加熱過程中晶粒顯著長大現象，在余熱正火加熱之前，須將鍛件空冷一段時間，待鍛件心部溫度降至正火溫度以下（880oC）時再進行回爐正火，隨后出爐空冷。為此制定出如圖3所示的大鍛件余熱正火工藝規范：鍛件鍛后空冷至600oC左右，此時心部溫度在860oC左右；隨即將紅熱鍛件放入爐中加熱，并于正火溫度（880oC）保溫一段時間，其保溫時間一般為傳統工藝時間的60%~80% [4]，然后出爐空冷。

圖3余熱正火工藝規范

2.2調質工藝規范的制定

2.2.1淬火

35CrMo屬中碳合金鋼，其淬火加熱溫度為840oC~860oC [5]，為使負偏析區在加熱時達到淬火溫度，取最終淬火溫度為860oC；淬火加熱方式采用大鍛件熱處理常見的階梯式加熱。

由于35CrMo合金鋼材料中添加了一些合金元素，淬火時需采取相對碳素鋼更長的加熱時間以均勻鍛件內部碳化物[6]。該鍛件橫截面較大（直徑約280 mm），其吸熱量也較大，需進行階段保溫使大鍛件表面到心部的溫度進一步均勻化，同時完成預期的組織轉變。中碳低合金鋼工件的保溫時間按0.8 h/100 mm（鍛件厚度）計算[7]；該船用大鍛件的有效截面直徑為階梯軸最大截面直徑，即280 mm，因此保溫時間（包括均溫時間）確定為4.5 h。

2.2.2回火

回火溫度往往由鍛件最終硬度或最終屈服點要求決定。該船用大鍛件熱處理后的強度和硬度要求不高、而塑性和韌性要求較高（如表1所示），因此須適當提高回火溫度，由文獻[8]可確定其最佳回火溫度為650oC。在生產中保溫時間一般按100 mm有限厚度保溫2 h計算，計算得出該大型鍛件的保溫時間約為8 h[8]。對于無高溫回火脆性的35CrMo鋼而言，本次回火采用空冷進行冷卻[5]。

2.2.3調質熱處理工藝規范的制定

根據以上分析，制定出如圖4所示的某船用中間軸大鍛件鍛后熱處理工藝規范：分別在淬火階段的650oC、 860oC保溫2 h和4.5 h；回火階段，在650oC保溫8 h，保溫階段結束后直接出爐空冷。

圖4調質熱處理工藝規范

3有限元數值模擬及分析

為直觀地了解鍛件熱處理過程中的溫度、組織和應力變化情況，在鍛件上選取如圖5所示的4個有代表性的點進行分析。其中P1是鍛件法蘭部位表面的點、P2是鍛件法蘭部位心部的點、P3是鍛件軸身部位表面的點、P4是鍛件軸身部位心部的點。

圖5代表點的選取

3.1余熱正火

3.1.1鍛后空冷

圖6所示為長軸類大鍛件鍛后空冷的溫度及組織變化情況。由圖可知，鍛造成形后經空冷40min，鍛件心部溫度已經低于880oC，此后再進行正火處理可避免鍛件在高溫下晶粒顯著長大；法蘭表面P1及軸身表面P3奧氏體轉變分別為20%和10%，心部P2和P4還未發生奧氏體轉變，這是由于心部溫度仍在AC3以上。

（a）溫度變化

（b）奧氏體組織變化

圖6鍛后空冷過程代表點溫度及組織變化

3.1.2 正火加熱

圖7所示為正火過程鍛件各代表點的溫度及組織變化曲線圖。由圖可見，加熱開始后，鍛件法蘭表面P1和軸身表面P3溫度不斷升高；鍛件法蘭心部P2和軸身心部P4溫度繼續下降并分別在10 min和5 min后開始升溫，在80 min后鍛件整體達到880oC后開始保溫。加熱過程中，法蘭心部P2和軸身心部P4幾乎沒有發生組織轉變；加熱開始時法蘭表面P1處溫度仍在AC3以下，該處奧氏體轉變仍在進行，并于5 min后開始轉變為奧氏體組織；軸身表面P3與法蘭表面P1的組織轉變趨勢類似，加熱30 min后鍛件整體奧氏體化。根據鍛件材料及截面大小制定出的常規正火工藝規范為：分別在650oC和860oC時保溫2 h和4.5 h，回火階段在650oC時保溫8 h[9]。由圖3可見，余熱正火工藝的加熱時間比常規正火工藝規范減少了58%。

（a）溫度變化

（b）奧氏體組織變化

圖7加熱過程代表點溫度、應力和組織轉變

3.1.3正火冷卻

圖8所示為鍛件各代表點在空冷過程的溫度及組織變化情況。由圖可知，高溫階段鍛件傳熱系數較大，熱量傳遞比較快，使得冷卻速度也較快；鍛件法蘭圓角部分和軸端部圓角部分溫度最低，溫度在60oC左右，越往鍛件軸向中部，溫度分布越均勻；鍛件法蘭周圍溫度分布不均，是正火冷卻時最易出現變形的部位。由于空冷冷速未達到生成馬氏體的極限速度，鍛件只發生珠光體和鐵素體相變。鍛件于冷卻60 min時完全轉化為珠光體和鐵素體。

（a）溫度變化(b) 冷卻終了鍛件溫度分布

(c) 珠光體和鐵素體組織變化

圖8正火冷卻過程溫度及組織變化情況

3.2淬火

3.2.1加熱階段

圖9所示為淬火加熱過程中鍛件各代表點溫度及組織變化曲線。由圖可知，在加熱過程的第一、二次升溫階段，鍛件表面與心部間共出現兩次最大溫差（分別為180oC和120oC）。由此可見，階梯加熱由于存在中間保溫過程，能通過降低鍛件表面與心部溫差，從而有效避免鍛件開裂。由于鍛件表面比心部升溫快，表面的奧氏體形成速率也比心部快。鍛件表面及心部分別在加熱時間約為295min 和330min時開始形成奧氏體組織。

（a）溫度變化 (b)奧氏體組織變化

圖9淬火加熱過程代表點溫度及組織變化曲線

3.2.2淬冷

圖10所示為淬火冷卻過程中鍛件各代表點的溫度及應力變化情況。由圖可見，大鍛件進行淬冷時其表面心部的溫度相差很大，這是由于鍛件直徑較大，心部熱傳遞較慢：當表面溫度達到81.2oC時，心部溫度還在860oC。鍛件淬冷后，表面已經接近30oC、心部仍有180oC。此外，淬冷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。

(a)代表點的溫度變化(b)最大等效應力與屈服極限

圖10淬火冷卻過程溫度及應力變化情況

3.3回火

3.3.1回火加熱

圖11所示為回火過程鍛件上各代表點的溫度、應力變化曲線。由圖可知，淬火后即刻對鍛件進行回火處理時其心部還殘留余溫，因而加熱開始后鍛件表面溫度不斷升高而心部溫度先下降、后升高；當加熱390 min時鍛件整體達到回火溫度（560oC）進行保溫。加熱過程中，法蘭表面P1、鍛件軸身表面P3、法蘭心部P2和軸身心部P4溫度將依次達到200oC以上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，延長保溫時間收效甚微。

（a）溫度變化（b）等效應力變化

圖11回火加熱過程代表點溫度、應力變化情況

3.3.2空冷

圖12所示為鍛件心部在回火空冷過程中的溫度、組織及等效應力分布情況。由圖可見，軸的中間段心部溫度最高、端部溫度最低，溫度沿軸向從端部往中間部遞增。這是由于鍛件端部散熱較快、軸身心部散熱較慢所致。

圖12回火鍛件心部軸向的溫度分布

圖13所示為鍛件回火后的組織分布情況。由圖可見，鍛件表面為回火索氏體組織、次表面為貝氏體組織、心部為珠光體和鐵素體組織。由此可見，鍛件所采用的加熱時間和加熱溫度能使熱處理所需要的溫度和組織達到要求，使鍛件具有良好的綜合機械性能、較高的屈強比以及沖擊韌性。

（ a）索氏體（b）貝氏體 （c）珠光體和鐵素體

圖13鍛件回火后的組織分布

4結論

1）提出了一種大型鍛件余熱熱處理工藝方法，該工藝方法由余熱正火和普通調質處理兩部分組成。在余熱正火加熱之前，須將鍛件空冷一段時間，待鍛件表面溫度冷卻至550oC~600oC、心部溫度降至正火溫度以下（880oC）時再進行回爐正火，隨后出爐空冷。

2）正火空冷過程中鍛件法蘭表面應力變化最大，也是最易變形和開裂的部位。從降低應力和組織轉變的角度考慮，正火加熱時間約需3~4 h。相對常規正火工藝而言，本文所提出的余熱正火工藝減少了58%的加熱時間。

3）鍛件表面與心部在淬火加熱過程的兩次升溫階段中均出現了最大溫差，而采用階梯加熱能有效降低鍛件整體溫差；在淬火過程中，鍛件等效應力始終小于其屈服應力，因此該鍛件在淬火過程中不會出現塑性變形。

4）回火保溫開始后，鍛件內部殘余應力迅速降低；隨著保溫時間的延長，殘余應力減小緩慢并趨向穩定.從降低應力方面考慮，只需在650oC保溫6~7 h，延長保溫時間收效甚微。

參考文獻

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