轴类大锻件锻后余热热处理工艺研究

摘要：为提高锻件热处理组织力学性能并达到提高热处理效率、降低生产成本、节能的目的，根据某船用大锻件的力学性能要求，提出一种大型锻件余热热处理工艺方法，该工艺方法由余热正火和普通调质处理两部分组成；基于有限元数值模拟软件DEFORM-3D，对该锻件的余热正火、调质热处理过程进行了数值模拟，获得了锻件余热热处理过程中的温度、等效应力及组织变化规律。结果表明，相对常规热处理工艺而言，在确保锻件具有理想的热处理组织及良好的综合力学性能前提下，采用余热热处理工艺能有效地缩短热处理加热时间。

关键词：轴类大锻件；余热正火；调质；数值模拟

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

大型锻件锻后性能、组织极不均匀，须通过热处理进行改善[1]。相对于常规热处理而言，余热热处理工艺毋须将锻件重新加热到奥氏体化，可节省大量的能源，且其对现有生产线也无较大改造[2]。

采用数值模拟方法既可以研究热处理过程的温度、组织和应力分布，又可节省现场试验的费用、时间和精力，还能对热处理工艺参数进行优化，能在实际生产中起到很好的指导作用。

本文根据某锻件力学性能要求制定出合理可行的余热热处理工艺,采用有限元数值模拟软件DEFORM- 3D对该锻件在余热热处理过程的温度变化、组织转变和应力分布情况进行了研究。

2余热热处理工艺的制定

某船用中间轴锻件材料为35CrMo合金结构钢，其实际尺寸如图1所示，热处理后力学性能要求如表1所示。含碳量0.25%～0.6%的合金结构钢锻后一般都要进行正火或正火加高温回火，经机加工后进行调质处理。为此，制定出的35CrMo大锻件热处理工艺包括以下两个阶段：第一阶段为热处理预先工艺，即锻造后的余热正火；第二阶段为最终热处理工艺，即调质处理。

单位：mm

图1某船用中间轴锻件图

表1某船用中间轴力学性能要求

在热处理过程中，锻件内部温度场的变化很大程度上取决于锻件直径，而轴向长度对温度变化影响不大[2]；本文研究的船用大锻件的长径比远大于3，故可忽略两端的影响[3]。为降低试验成本，采用如图2所示的一端带法兰的长轴类锻件（长径比约3.5）进行模型试验。

单位：mm

图2模型试验锻件尺寸

2.1 余热正火工艺规范的制定

为充分利用锻后余热、降低能耗，并有效避免锻件心部在回炉正火加热过程中晶粒显著长大现象，在余热正火加热之前，须将锻件空冷一段时间，待锻件心部温度降至正火温度以下（880oC）时再进行回炉正火，随后出炉空冷。为此制定出如图3所示的大锻件余热正火工艺规范：锻件锻后空冷至600oC左右，此时心部温度在860oC左右；随即将红热锻件放入炉中加热，并于正火温度（880oC）保温一段时间，其保温时间一般为传统工艺时间的60%~80% [4]，然后出炉空冷。

图3余热正火工艺规范

2.2调质工艺规范的制定

2.2.1淬火

35CrMo属中碳合金钢，其淬火加热温度为840oC~860oC [5]，为使负偏析区在加热时达到淬火温度，取最终淬火温度为860oC；淬火加热方式采用大锻件热处理常见的阶梯式加热。

由于35CrMo合金钢材料中添加了一些合金元素，淬火时需采取相对碳素钢更长的加热时间以均匀锻件内部碳化物[6]。该锻件横截面较大（直径约280 mm），其吸热量也较大，需进行阶段保温使大锻件表面到心部的温度进一步均匀化，同时完成预期的组织转变。中碳低合金钢工件的保温时间按0.8 h/100 mm（锻件厚度）计算[7]；该船用大锻件的有效截面直径为阶梯轴最大截面直径，即280 mm，因此保温时间（包括均温时间）确定为4.5 h。

2.2.2回火

回火温度往往由锻件最终硬度或最终屈服点要求决定。该船用大锻件热处理后的强度和硬度要求不高、而塑性和韧性要求较高（如表1所示），因此须适当提高回火温度，由文献[8]可确定其最佳回火温度为650oC。在生产中保温时间一般按100 mm有限厚度保温2 h计算，计算得出该大型锻件的保温时间约为8 h[8]。对于无高温回火脆性的35CrMo钢而言，本次回火采用空冷进行冷却[5]。

2.2.3调质热处理工艺规范的制定

根据以上分析，制定出如图4所示的某船用中间轴大锻件锻后热处理工艺规范：分别在淬火阶段的650oC、 860oC保温2 h和4.5 h；回火阶段，在650oC保温8 h，保温阶段结束后直接出炉空冷。

图4调质热处理工艺规范

3有限元数值模拟及分析

为直观地了解锻件热处理过程中的温度、组织和应力变化情况，在锻件上选取如图5所示的4个有代表性的点进行分析。其中P1是锻件法兰部位表面的点、P2是锻件法兰部位心部的点、P3是锻件轴身部位表面的点、P4是锻件轴身部位心部的点。

图5代表点的选取

3.1余热正火

3.1.1锻后空冷

图6所示为长轴类大锻件锻后空冷的温度及组织变化情况。由图可知，锻造成形后经空冷40min，锻件心部温度已经低于880oC，此后再进行正火处理可避免锻件在高温下晶粒显著长大；法兰表面P1及轴身表面P3奥氏体转变分别为20%和10%，心部P2和P4还未发生奥氏体转变，这是由于心部温度仍在AC3以上。

（a）温度变化

（b）奥氏体组织变化

图6锻后空冷过程代表点温度及组织变化

3.1.2 正火加热

图7所示为正火过程锻件各代表点的温度及组织变化曲线图。由图可见，加热开始后，锻件法兰表面P1和轴身表面P3温度不断升高；锻件法兰心部P2和轴身心部P4温度继续下降并分别在10 min和5 min后开始升温，在80 min后锻件整体达到880oC后开始保温。加热过程中，法兰心部P2和轴身心部P4几乎没有发生组织转变；加热开始时法兰表面P1处温度仍在AC3以下，该处奥氏体转变仍在进行，并于5 min后开始转变为奥氏体组织；轴身表面P3与法兰表面P1的组织转变趋势类似，加热30 min后锻件整体奥氏体化。根据锻件材料及截面大小制定出的常规正火工艺规范为：分别在650oC和860oC时保温2 h和4.5 h，回火阶段在650oC时保温8 h[9]。由图3可见，余热正火工艺的加热时间比常规正火工艺规范减少了58%。

（a）温度变化

（b）奥氏体组织变化

图7加热过程代表点温度、应力和组织转变

3.1.3正火冷却

图8所示为锻件各代表点在空冷过程的温度及组织变化情况。由图可知，高温阶段锻件传热系数较大，热量传递比较快，使得冷却速度也较快；锻件法兰圆角部分和轴端部圆角部分温度最低，温度在60oC左右，越往锻件轴向中部，温度分布越均匀；锻件法兰周围温度分布不均，是正火冷却时最易出现变形的部位。由于空冷冷速未达到生成马氏体的极限速度，锻件只发生珠光体和铁素体相变。锻件于冷却60 min时完全转化为珠光体和铁素体。

（a）温度变化(b) 冷却终了锻件温度分布

(c) 珠光体和铁素体组织变化

图8正火冷却过程温度及组织变化情况

3.2淬火

3.2.1加热阶段

图9所示为淬火加热过程中锻件各代表点温度及组织变化曲线。由图可知，在加热过程的第一、二次升温阶段，锻件表面与心部间共出现两次最大温差（分别为180oC和120oC）。由此可见，阶梯加热由于存在中间保温过程，能通过降低锻件表面与心部温差，从而有效避免锻件开裂。由于锻件表面比心部升温快，表面的奥氏体形成速率也比心部快。锻件表面及心部分别在加热时间约为295min 和330min时开始形成奥氏体组织。

（a）温度变化 (b)奥氏体组织变化

图9淬火加热过程代表点温度及组织变化曲线

3.2.2淬冷

图10所示为淬火冷却过程中锻件各代表点的温度及应力变化情况。由图可见，大锻件进行淬冷时其表面心部的温度相差很大，这是由于锻件直径较大，心部热传递较慢：当表面温度达到81.2oC时，心部温度还在860oC。锻件淬冷后，表面已经接近30oC、心部仍有180oC。此外，淬冷过程中锻件表面和心部的奥氏体转变释放相变潜热也造成锻件心冷却速度减慢。锻件在淬火过程中，等效应力始终小于屈服极限，因此锻件在淬火过程中不会出现塑性变形现象。

(a)代表点的温度变化(b)最大等效应力与屈服极限

图10淬火冷却过程温度及应力变化情况

3.3回火

3.3.1回火加热

图11所示为回火过程锻件上各代表点的温度、应力变化曲线。由图可知，淬火后即刻对锻件进行回火处理时其心部还残留余温，因而加热开始后锻件表面温度不断升高而心部温度先下降、后升高；当加热390 min时锻件整体达到回火温度（560oC）进行保温。加热过程中，法兰表面P1、锻件轴身表面P3、法兰心部P2和轴身心部P4温度将依次达到200oC以上开始由马氏体组织相变生成回火索氏体组织。回火保温开始后淬火残余内应力迅速降低，随着保温时间的延长，等效应力消除逐步减慢，当保温时间达到6 h后，应力变化趋向稳定，延长保温时间收效甚微。

（a）温度变化（b）等效应力变化

图11回火加热过程代表点温度、应力变化情况

3.3.2空冷

图12所示为锻件心部在回火空冷过程中的温度、组织及等效应力分布情况。由图可见，轴的中间段心部温度最高、端部温度最低，温度沿轴向从端部往中间部递增。这是由于锻件端部散热较快、轴身心部散热较慢所致。

图12回火锻件心部轴向的温度分布

图13所示为锻件回火后的组织分布情况。由图可见，锻件表面为回火索氏体组织、次表面为贝氏体组织、心部为珠光体和铁素体组织。由此可见，锻件所采用的加热时间和加热温度能使热处理所需要的温度和组织达到要求，使锻件具有良好的综合机械性能、较高的屈强比以及冲击韧性。

（ a）索氏体（b）贝氏体 （c）珠光体和铁素体

图13锻件回火后的组织分布

4结论

1）提出了一种大型锻件余热热处理工艺方法，该工艺方法由余热正火和普通调质处理两部分组成。在余热正火加热之前，须将锻件空冷一段时间，待锻件表面温度冷却至550oC~600oC、心部温度降至正火温度以下（880oC）时再进行回炉正火，随后出炉空冷。

2）正火空冷过程中锻件法兰表面应力变化最大，也是最易变形和开裂的部位。从降低应力和组织转变的角度考虑，正火加热时间约需3~4 h。相对常规正火工艺而言，本文所提出的余热正火工艺减少了58%的加热时间。

3）锻件表面与心部在淬火加热过程的两次升温阶段中均出现了最大温差，而采用阶梯加热能有效降低锻件整体温差；在淬火过程中，锻件等效应力始终小于其屈服应力，因此该锻件在淬火过程中不会出现塑性变形。

4）回火保温开始后，锻件内部残余应力迅速降低；随着保温时间的延长，残余应力减小缓慢并趋向稳定.从降低应力方面考虑，只需在650oC保温6~7 h，延长保温时间收效甚微。

参考文献

[1]雷雪. 低压转子加热过程模拟及工艺优化[D]. 上海: 上海交通大学. 2009

[2]樊东黎. 锻件的热处理[J]. 锻造与冲压, 2005, (7): 32-35.

[3]谢建斌. 钢淬火过程中相成分、表面换热系数及温度场的研究[D].云南: 昆明理工大学, 1999

[4]孙兴邦. 船用大锻件的热处理[M]. 北京: 国防工业出版社, 1987

[5]向艳旭. 大型件的热处理工艺研究[J]. 才智, 2009, (15): 263.

[6]谢泽林. 热处理节能在生产工艺中的应用[J]. 热加工, 2009, (5): 43-44.

[7]耿学明, 黎定旺. 大型锻件的调质热处理实践[J]. 金属加工(热加工), 2010(5).

[8]康大韬. 大型锻件材料及热处理[M], 北京: 机械工业出版社, 1998

[9]黄正. 船用大型锻件余热热处理工艺方法研究及参数优化[D]. 广东:华南理工大学, 2011