锻件余热的利用

大量应用实例表明,通过合理控制锻件成形后的冷却参数,经过余热热处理后锻件组织和性能达到普通热处理水平,具有良好的工艺稳定性和重现性。利用余热进行热处理,省去了热处理过程中的加热工序,节能效果显著,并且降低了对热处理设备的投资和维护费用。

余热利用的意义

锻造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。

热模锻余热热处理

锻造后利用锻件自身热量直接进行热处理,即锻件的余热热处理省略了锻造后热处理前重新加热锻件的工序,余热热处理一般有以下3种方式。

1. 锻后进行余热均温热处理。锻件成形后直接送入热处理炉,仍按常规的热处理工艺进行,均温后锻件不同部位温度一致,可缩短保温时间,这种方法称为余热均温热处理。对于形状复杂,特别是截面变化大的锻件采用该工艺可以确保锻件质量稳定。

2. 锻后直接余热热处理。锻件成形后利用锻造余热直接进行热处理,把锻造和热处理紧密结合在一起,节省了普通热处理需要重新加热造成的大量能耗浪费。

3. 锻后利用部分余热进行热处理。锻件成形后将锻件冷却到600～650℃左右,然后将锻件再加热到所需要的温度进行热处理。此方法可以细化到晶粒,又节约了把锻件从室温加热到600～650℃的能耗,一般适用于对晶粒度要求高的锻件。

余热热处理常用工艺方法

锻造余热淬火

锻造余热淬火是锻件成形后,当其温度高于Ar3或Ar3～Ar1之间的某一温度时,淬入适当的淬火介质中,获得马氏体或贝氏体组织的工艺方法。

锻件经锻造余热淬火和回火处理后,不仅可以获得较好的综合机械性能,而且可以节省能源,简化工艺流程、缩短生产周期,减少人员和节省淬火加热炉的投资费用。

锻件经锻造余热淬火并高温回火后,其强度与硬度一般均高于普通调质,而塑性与韧性比普通调质稍低(两者回火温度相同时)。若锻造余热淬火后,采用较高回火温度(一般比普通调质的回火温度高出40～80℃)后,其塑性和韧性与普通淬火相当或稍高。锻件经锻造余热淬火后,在保持塑性和韧性的前提下明显地提高了强度和硬度,另外由于其晶粒较普通淬火粗大,可改善材料的切削加工性能。

锻造余热正火(退火)

锻造余热正火(退火)是锻件成形后,当温度高于Ar3(对亚共析钢)时,进入正火炉、冷却箱或退火炉内进行正火或控制冷却,得到正火组织。

由于锻造加热温度高,采用此方法处理后锻件的晶粒较粗,一般用于预备热处理,不适用对于晶粒度有较高要求的锻件。同时,处理后得到的组织为珠光体+铁素体平衡组织,粗晶粒在后续热处理中不存在组织遗传,晶粒可重新细化。

锻造余热等温正火

锻造余热等温正火是锻件成形后,当温度高于Ar3(对亚共析钢)时急速冷却,冷却到等温温度后保温一段时间后空冷至室温。

锻件成形后温度一般在900～1000℃,急冷速度一般控制在30～42℃/min,等温温度一般为550～680℃(具体需根据不同材质确定)。急冷是该工艺的关键工序,可通过调节冷却风量、风速、风温和风向,保证锻件冷却后温度均匀。等温温度根据材料种类和要求的硬度确定,一般选在珠光体转变曲线的鼻部以缩短等温保温时间。锻造余热等温正火多用于渗碳齿轮钢,例如SCM420H、SCM822H、SAE8620H和20CrMnTiH等。

余热热处理工艺的控制要点

余热淬火

⑴ 稳定可控的加热系统。坯料的加热系统为中频感应加热、红外测温仪和三通道温度分选系统,可方便的控制加热温度和分选加热温度不合格的坯料。

⑵ 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,锻后停留时间推荐碳钢不大于60s、合金钢在20～60s之间。

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慢的淬火剂,以防止严重淬火变形和开裂。由于锻造余热淬火温度比普通淬火温度高,因此锻件淬透性好,故碳钢和合金钢一般选用油或PAG淬火剂。

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、冷却系统和加热装置,淬火介质温度自动控制,还应配置抽风装置。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。

⑷ 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。

余热正火(退火)

⑴适当控制锻件进炉前的温度。当零件温度较高时需要对锻件进行吹风冷却,使零件温度降低到所需要的正火温度,同时热处理炉功率需要有一定的富余,开始生产前和少量锻件温度低时进行加热。

⑵确定合理保温时间。保温时间过长会会导致晶粒粗大,保温时间过短会导致组织转变不充分。可根据锻件材料、形状和尺寸通过试验确定。

余热等温正火

⑴ 锻造后锻件温度控制。锻件成形后的温度必须在Ar3(对亚共析钢)以上,锻后零件温度稳定时可采用直接急冷的方式;锻后零件温度波动较大或锻件截面变化大时,必须增加均温过程,急冷前使零件温度均匀一致,否则会造成急冷后锻件或不同截面温度相差大,产生异常组织(贝氏体或马氏体)。

⑵ 急冷冷却速度控制。急冷工序中要求锻件快速冷却,同时冷却后同一锻件和同批锻件温度均匀一致(或相近)。同时需要对急冷速度加以控制,过快的急冷速度会在锻件组织中产生魏氏组织。一般急冷速度控制在30～42℃/min。

⑶ 急冷后温度控制。急冷后必须保证锻件温度在珠光体转变区,不能低于贝氏体转变开始温度(Bs),否则组织中会出现贝氏体(或粒状贝氏体)组织;如急冷后温度过高会导致先共析铁素体量增多,组织转变后珠光体片层间距大,造成零件硬度低。锻件急冷后温度一般控制在材料Bs温度以上在80～100℃。

⑷ 等温温度的选择。等温温度的高低直接影响到等温正火后锻件的硬度,等温温度高则硬度低,等温温度低则硬度高。等温温度一般为锻件材料Bs温度以上50～80℃,具体温度需根据锻件的材料、形状经试验进行确定。

⑸ 等温保温时间的确定。珠光体转变发生在等温过程中,因此必须有足够的保温时间,如等温时间过短会造成过冷奥氏体没有全部转变为珠光体,在随后的冷却过程中转变为贝氏体或马氏体,造成等温处理后组织不合格和硬度高。等温时间可根据材料的等温转变曲线进行初步确定,并根据试验情况进行调整。

应用实例

轿车变速箱齿轮部分余热等温正火

轿车变速箱齿轮材料为20MnCr5JV和27MnCr5JV,锻件要求进行等温正火处理。等温正火后组织为铁素体+珠光体,不得有粒状贝氏体,晶粒度为6～9级。为了降低能源消耗,同时满足对晶粒度的要求,利用部分锻造余热进行等温正火处理。

经过试验,确定部分余热等温正火工艺为,锻件成形后通过传送带送至加热炉,在此过程中锻件温度降低至550～600℃,锻件在加热炉中重新加热至900～920℃,保温后进入速冷室进行速冷;速冷后锻件温度不低于600℃,然后进入等温炉进行等温,锻件等温温度为580～600℃,等温时间1h,然后出炉空冷。

采用该工艺热处理后锻件的金相组织为铁素体+珠光体,未出现粒状贝氏体组织。硬度适当,切削性能良好,后续热处理前后齿轮的变形符合技术要求。部分锻造余热等温正火与常规等温正火相比,省掉了部分高温加热过程,节电约150kWh/t。

微型车曲轴利用余热淬火

某微型车曲轴锻件材料为40CrH(GB/T5216-2004),该锻件热处理技术要求,锻件经过调质处理后,金相组织在1～4级之间,硬度为241～285HBW。普通调质工艺为锻件成形后空冷至室温,然后加热至850℃,保温一定时间后在浓度为10%的PAG淬火剂中淬火,然后进行回火,在连续式调质线进行调质处理。

锻造余热淬火工艺为锻件成形后在淬火油中淬火,淬火后的锻件在连续式回火炉中集中进行回火。经检验,采用锻造余热淬火工艺生产,各种性能指标满足客户要求。采用余热淬火工艺生产,省去了普通调质的淬火加热工序,可节约淬火加热用电259kWh/t,同时简化了工艺,缩短了生产周期。

微型车曲轴利用余热退火

某微型车曲轴锻件材料为40CrH,热处理要求为正火,硬度要求为163～269HBW。曲轴锻件最终热处理为调质处理,正火的目的是降低锻件硬度,以便于后续的粗加工,同时均匀组织,为随后的调质处理做好组织准备。

原工艺为加热至860℃进行正火;锻造余热退火是锻后将曲轴装入保温箱内,保温一段时间后取出。经检验采用锻造余热退火可得到珠光体+铁素体组织,组织中无贝氏体等非正常组织;同时组织中无严重的魏氏组织。硬度与正火相近,对曲轴的粗加工无影响。

受不同部位变形程度不一致的影响,变形量较小部位晶粒较粗,经过余热退火处理的曲轴晶粒度较正火处理的粗,这将有利于随后的切削加工。同时,由于采用锻造余热退火处理得到的是珠光体+铁素体的平衡组织,不具有遗传性,经调质处理后晶粒可以重新细化。

采用锻造余热退火处理的曲轴经客户进行粗加工和调质处理,其切削性能、调质处理后的金相组织和机械性能与原来采用正火工艺时相同,装机后无不良反映。曲轴锻造余热退火工艺全部利用锻造余热,不需对锻件进行二次加热,与原来采用的正火工艺相比可节约大量电能,同时减少了热处理炉开动时间,降低了人工费用和设备维修费用。

结束语

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,利用锻造余热热处理时晶粒粗大的特点,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。

文章来源:常州精密钢管博客网