大型鍛鋼件是造船、鐵路、電力、石化、冶金、航空航天等國(guó)家重大技術(shù)裝備的關(guān)鍵部件和產(chǎn)品，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代科學(xué)裝備的建設(shè)中發(fā)揮著極其重要的作用，其質(zhì)量直接影響重大裝備的整體水平和運(yùn)行可靠性，關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)命脈和國(guó)家安全。熱處理是提高大型鍛鋼件質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。常用的熱處理主要包括退火、正火、淬火和回火，相應(yīng)的現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是GB／T16923—2008《鋼件的正火與退火》和GB／T 16924—2008(鋼件的淬火與回火》。但這些標(biāo)準(zhǔn)主要適用于按千克計(jì)量的中小型鋼件，大型鍛鋼件按噸計(jì)量，一般重?cái)?shù)噸甚至幾百?lài)崳掖笮湾戜摷捎诔叽绾椭亓看螅嬖诔煞制觥⒔M織不均勻、非金屬夾雜、較多的孔洞和較大的熱應(yīng)力等缺陷，目前的熱處理標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于大型鍛鋼件還存在一些問(wèn)題。國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)于2019年6月4日和2019年5月10日分別發(fā)布了GB／T37559-2019《大型鍛鋼件的正火與退火》和GB／T37464-2019《大型鍛鋼件的淬火與回火》兩項(xiàng)大型鍛鋼件熱處理標(biāo)準(zhǔn)。本文依據(jù)2019年12月1日實(shí)施的GB／T37464-2019《大型鍛鋼件的淬火與回火》，主要介紹大型鍛鋼件的淬火和回火工藝。

1、大型鍛鋼件的淬火   

     淬火是將工件加熱奧氏體化后以適當(dāng)方式冷卻獲得馬氏體或(和)貝氏體組織的熱處理工藝。大型鍛鋼件的淬火主要是為了獲得馬氏體組織，提高鋼的硬度和強(qiáng)度，它包括加熱、保溫、冷卻三個(gè)過(guò)程，這三個(gè)過(guò)程是相互銜接，不可間斷。制定淬火工藝時(shí)要確定裝爐溫度、升溫速率、保溫時(shí)間、淬火溫度、均熱時(shí)間等參數(shù)。圖1為部分碳鋼、低合金鋼淬火與回火工藝曲線(xiàn)示意圖。1.1淬火加熱(1)加熱設(shè)備   大型鍛鋼件加熱時(shí)應(yīng)選用符合要求的熱處理爐，且能實(shí)現(xiàn)升溫速度可調(diào)可控，加熱介質(zhì)一般為空氣，有特殊要求的工件可選用保護(hù)氣氛爐。淬火加熱爐有效加熱區(qū)檢測(cè)方法應(yīng)符合GB/T9452《熱處理爐有效加熱區(qū)測(cè)定方法》或GB/T30824《燃?xì)鉄崽幚頎t溫度均勻性測(cè)試方法》要求。加熱爐有效加熱區(qū)的溫度均勻性應(yīng)不超過(guò)±10°C，其余應(yīng)滿(mǎn)足GB/T16924《鋼件的淬火與回火》及GB/T32541《熱處理質(zhì)量控制體系》規(guī)定的要求。(2)裝爐  針對(duì)大型鍛鋼件的形狀特點(diǎn)和性能要求，應(yīng)設(shè)計(jì)合理的工裝和裝爐方式，控制工件的熱處理畸變。裝爐時(shí)工件應(yīng)放置在淬火加熱爐的有效加熱區(qū)內(nèi)，保證爐氣在其內(nèi)外表面流動(dòng)暢通，加熱均勻。使用燃?xì)鉅t加熱時(shí)，應(yīng)避免火焰直接噴射到工件上。對(duì)于細(xì)長(zhǎng)軸工件宜垂直放置在熱處理爐中進(jìn)行加熱。裝爐溫度應(yīng)根據(jù)鋼種和工件的有效厚度來(lái)確定，工件的有效厚度計(jì)算方法如表1所示。如常用的45、40Cr鋼的有效厚度≤600mm時(shí)，其裝爐溫度≤400°C～450°C。工件裝爐后應(yīng)保溫一段時(shí)間，以減小工件在藍(lán)脆溫度范圍(250°C～350°C)內(nèi)的溫差。在保溫之前鍛件處于線(xiàn)彈性狀態(tài)，如果表面與心部溫差引起較大的熱應(yīng)力，可使工件在加熱過(guò)程中早期開(kāi)裂。(3)加熱方式   大型鍛鋼件截面尺寸較大，必然使工件在加熱過(guò)程中產(chǎn)生巨大的表面與心部溫差，進(jìn)而造成鍛件中的較大熱應(yīng)力。所以大型鍛件的加熱方式一般采用階梯升溫方式。通常根據(jù)工件的鋼種和尺寸選擇合適的裝爐溫度以較慢速率升溫至彈塑性轉(zhuǎn)變溫度(一般在600°C～700°C之間)，在該溫度下等溫一段時(shí)間使工件內(nèi)外溫度均勻，然后以較快速率升溫至淬火加熱溫度。(4)淬火溫度  鋼的化學(xué)成分是決定其淬火加熱溫度的最主要因素，選擇淬火溫度的依據(jù)是鋼的相變臨界點(diǎn)。此外，還應(yīng)考慮工件的材料牌號(hào)、性能要求、原始組織狀態(tài)等因素。表2為部分常用鋼種的相變點(diǎn)、淬火溫度和冷卻方式。大型鍛鋼淬火溫度一般取相應(yīng)材料淬火溫度的上限，以保證偏析區(qū)也能達(dá)到相應(yīng)的淬火溫度，使工件充分奧氏體化。

1.2淬火均熱、保溫時(shí)間    均熱是指工件在熱處理爐內(nèi)加熱達(dá)到保溫溫度開(kāi)始，到工件表面溫度達(dá)到保溫溫度結(jié)束的過(guò)程。大型鍛鋼件的均熱時(shí)間可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算(一般為工件表面溫度均勻一致并與爐墻顏色相同時(shí)為止)，也可以在工件表面安裝載荷熱電偶，以工件表面載荷熱電偶溫度全部達(dá)到淬火溫度開(kāi)始算保溫。     保溫目的是使工件內(nèi)部溫度均勻趨于一致，其保溫時(shí)間最終取決于在要求淬火的區(qū)域獲得良好的淬火加熱組織。保溫時(shí)間可根據(jù)鋼種和工件的有效厚度來(lái)確定。碳鋼和低合金鋼的保溫時(shí)間一般按0.6h/100mm～1.2h/100mm計(jì)算；中高合金鋼或馬氏體不銹鋼的保溫時(shí)間一般按1.0h/100mm～2.0h/100mm計(jì)算。

1.3淬火冷卻    淬火冷卻時(shí)，既要保證過(guò)冷奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，又不至于由于冷卻速度過(guò)大而引起工件內(nèi)應(yīng)力增大，造成工件變形和開(kāi)裂。因此，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)睦鋮s方式，使工件表面各部位獲得均勻的冷卻。(1)淬火冷卻設(shè)備     淬火槽應(yīng)能容納足以吸收工件熱量的淬火劑；也可配置輔助淬火槽，輔助淬火槽與淬火槽之間循環(huán)泵的流量應(yīng)能滿(mǎn)足工件淬火需求。淬火槽中應(yīng)設(shè)置攪拌系統(tǒng)及冷卻循環(huán)裝置，工件淬火時(shí)應(yīng)設(shè)置可以在槽內(nèi)上下或左右移動(dòng)的工裝或吊具。對(duì)于形狀較為復(fù)雜的工件，可根據(jù)工件的特征設(shè)計(jì)相應(yīng)的輔助工裝。風(fēng)冷、霧冷使用的噴風(fēng)、噴水槽中噴嘴方向和壓強(qiáng)可以根據(jù)工件尺寸形狀進(jìn)行調(diào)節(jié)，以獲得均勻合適的冷速。液態(tài)淬火槽中應(yīng)設(shè)置可顯示冷卻過(guò)程中淬火介質(zhì)溫度的感溫元件，其測(cè)溫儀表的分辨力≤5℃。淬火冷卻介質(zhì)及其使用應(yīng)符合JB/T 6955(熱處理常用淬火介質(zhì)技術(shù)要求》的規(guī)定。液態(tài)淬火冷卻設(shè)備技術(shù)條件應(yīng)符合JB/T10457《液態(tài)淬火冷卻設(shè)備技術(shù)條件》的規(guī)定。淬火冷卻時(shí)使用的起重機(jī)應(yīng)符合JB/T7688.6《冶金起重機(jī)技術(shù)條件第6部分：淬火起重機(jī)》的規(guī)定。(2)淬火冷卻方式   大型鍛鋼件冷卻時(shí)除了產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力外，還會(huì)產(chǎn)生較大的相變應(yīng)力。巨大的內(nèi)應(yīng)力，既會(huì)導(dǎo)致鍛鋼件中產(chǎn)生裂紋，甚至整體斷裂，還會(huì)對(duì)其內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生阻礙作用，從而推遲或減少奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。大型鍛鋼件的淬火冷卻一般采取風(fēng)冷、霧冷、油冷、水冷、水—油冷、水—空冷和水溶性淬火液冷卻等方式。部分常用鋼種的冷卻方式見(jiàn)表2。在滿(mǎn)足性能要求的基礎(chǔ)上，盡量選擇冷卻過(guò)程中熱應(yīng)力較小的冷卻方式。必要時(shí)，可在實(shí)際生產(chǎn)前采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)或工藝性試驗(yàn)確認(rèn)適當(dāng)?shù)睦鋮s方式。如果想選擇水冷，淬火前應(yīng)對(duì)工件碳當(dāng)量[C]進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)水冷數(shù)據(jù)進(jìn)行可行性分析。碳當(dāng)量[c]計(jì)算公式為：     正偏析區(qū)碳含量≤0.31％，正偏析區(qū)碳當(dāng)量[C]≤0.75％，可以采用水淬；正偏析區(qū)碳含量≤0.32％～0.36％，正偏析區(qū)碳當(dāng)量【C】≤0.75％～0.88％，可以水淬，但應(yīng)特別小心；正偏析區(qū)碳含量【C】>0.36％，正偏析區(qū)碳當(dāng)量[C]≥0.88％，沒(méi)有特別指導(dǎo)禁止水淬。(3)淬火冷卻時(shí)間。大型鍛鋼件的淬火冷卻時(shí)間取決于工件心部的終冷溫度，可通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬制定和優(yōu)化具體工藝參數(shù)。高合金鋼工件的心部終冷溫度一般在貝氏體轉(zhuǎn)變終了溫度Bf與馬氏體開(kāi)始溫度MS之間，一般為200℃～350℃；中合金鋼工件的心部終冷溫度應(yīng)低于奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的溫度，一般為350℃～400℃；對(duì)于部分需要獲得上貝氏體組織的中合金鋼工件，終冷溫度可高一些；對(duì)于冶金質(zhì)量較好的大型鍛鋼件，工件心部終冷溫度可低于上述一般情況下的溫度。

2、大型鍛鋼件的回火

      大型鍛鋼件淬火冷卻結(jié)束后應(yīng)盡快進(jìn)爐回火，以防應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致開(kāi)裂。對(duì)于高合金鋼等較易淬裂工件，淬火與回火間隔不應(yīng)超過(guò)2h。制定回火工藝時(shí)要確定裝爐溫度、回火溫度、回火加熱速度、均熱時(shí)間、保溫時(shí)間和冷卻速率等參數(shù)。      裝爐溫度根據(jù)材料的過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)(TTT曲線(xiàn))確定，一般為與貝氏體終了溫度Bf和馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度MS接近的溫度?；鼗饻囟仁菦Q定工件回火后硬度的主要因素，可根據(jù)技術(shù)要求確定。     回火加熱速度一般控制在30℃/h～100℃/h或者分段升溫，具體可根據(jù)其鋼種、尺寸和形狀以及淬火冷卻方式等情況進(jìn)行調(diào)整。回火均熱時(shí)間可按照回火保溫時(shí)間的一半來(lái)估算。若工件表面放置熱電偶，則以工件表面熱電偶全部到達(dá)保溫溫度開(kāi)始保溫。回火保溫時(shí)間根據(jù)工件有效厚度確定。一般情況下，每100mm有效厚度至少保溫2h?；鼗鸷蟮睦鋮s，對(duì)于有殘余應(yīng)力要求的工件，應(yīng)盡量降低工件在400℃以上的冷卻速率；對(duì)于易產(chǎn)生回火脆性的鋼種，可根據(jù)工件具體形狀和尺寸選擇相應(yīng)的冷卻方法。     淬火工件回火時(shí)，隨著回火溫度的升高，通常強(qiáng)度、硬度降低，而塑性、韌性升高。但在某些溫度范圍內(nèi)回火時(shí)，鋼的韌性不僅沒(méi)有提高，反而顯著降低，即產(chǎn)生回火脆性。所以當(dāng)回火溫度≥400℃時(shí)要注意，對(duì)無(wú)第二類(lèi)回火脆性的鋼材，如45、35CrMo、45CrMo鋼等，回火冷卻可采用隨爐冷或空冷；對(duì)具有第二類(lèi)回火脆性的鋼材，如40Cr、3Cr13鋼等，回火冷卻須采用快速冷卻的方法(如水冷)消除脆性。

3、結(jié)論      

     淬火和回火是為滿(mǎn)足工件使用要求而進(jìn)行的改善性能的熱處理，淬火是為回火作組織準(zhǔn)備，而回火則決定了工件熱處理后的最終組織與性能。大型鍛鋼件因尺寸大和重量大而出現(xiàn)一系列問(wèn)題，如嚴(yán)重的化學(xué)成分不均勻，過(guò)多的非金屬夾雜物、縮孔、縮松，巨大的熱容量和內(nèi)應(yīng)力等，使大型鍛鋼件的淬火和回火過(guò)程十分復(fù)雜。2019年12月1日實(shí)施的GB/T37464—2019國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了大型鍛鋼件淬火與回火技術(shù)要求與方法，適用于能源、冶金、運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)重型裝備用大型鍛鋼件整體加熱淬火與回火。     為獲得一個(gè)性能、質(zhì)量和使用壽命都好的大型鍛鋼件，應(yīng)貫徹落實(shí)好相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。