《大型锻钢件的淬火和回火》国家标准编制介绍
2017-03-14张智峰
张智峰
(上海电气上重铸锻有限公司大型铸锻件研究所，上海200245)
标 准 化
《大型锻钢件的淬火和回火》国家标准编制介绍
张智峰
(上海电气上重铸锻有限公司大型铸锻件研究所，上海200245)
介绍了《大型锻钢件的淬火与回火》国家标准的立项背景、编制过程、编制原则和主要技术内容等。
大型锻钢件；国家标准；编制
1 立项背景
大型锻钢件是电力、造船、石油化工、冶金和军工等国家重大技术装备和重大工程建设必需的关键基础部件，在国民经济、国防装备发展中发挥着极其重要的关键作用。提高大型锻钢件产品的品质是保证我国重型装备安全运行的重中之重，关系到国家安全和国民经济命脉。
热处理是保证大型锻钢件获得所需性能的关键技术，涉及淬火、正火、退火、回火、固溶处理等多种工艺。国内已有一些关于钢的热处理工艺标准，主要包括GB/T 16923—1997《钢件的正火和退火》，GB/T 16924—1997《钢件的淬火和回火》等。这些标准适用于钢件，当然也包括大型锻钢件，但在实际工程实践中，这些标准应用于大型锻钢件时还存在明显的问题：
(1)从工件的分类来看，GB/T 16924—1997规定小件为5 kg以下，中件为5 kg～30 kg，30 kg以上的为大件，而大型锻钢件一般重数吨甚至百吨级，可见GB/T 16924—1997主要适用于按公斤计量的小型钢件，未考虑大型锻钢件的特点。
(2)大型锻钢件具有尺寸大和重量大的特点，“因大而生”带来了一系列问题，如显著的成分不均匀性，多种多样的组织缺陷，巨大的热容量和热应力等，使大锻件的热处理过程往往十分复杂、费时和昂贵，必须小心翼翼的进行[1]。因此，大型锻钢件热处理对加热设备、冷却设备以及升温保温工艺曲线等方面均有特殊的要求，已有标准在此方面有相应规定。
目前，国内采用和引进的国外关于大型锻钢件的标准主要是产品的技术标准，但没有保证产品品质的制造方法(包括热处理工艺)标准。长期以来，国内在大锻件热处理国家或行业标准方面属于空白领域，只有一些重工企业为各自的产品制定了企业标准或工艺规范，不具备标准的统一性和指导性。为推动大型锻钢件制造业的发展，我公司联合其他相关单位承担了大型锻钢件热处理系列国家标准起草工作。
大型锻钢件的热处理工艺方式主要为淬火、正火、退火、回火、固溶处理等，而表面淬火、感应淬火、等温淬火、渗碳和渗氮等方法较少应用。考虑到标准应用的广泛性，首先立项编制《大型锻钢件的淬火和回火》和《大型锻钢件的正火和退火》。本文介绍了《大型锻钢件的淬火和回火》国家标准(后文简称本标准)的编制情况。
2 编制过程
本标准编制任务来源于国家标准化管理委员会2015年7月31日下达的国标委综合[2015]52号第二批国家标准制修订计划，计划编号：20151567-T-469，项目名称“大型锻钢件的淬火与回火”。本标准编制任务于2013年提出，经2013年12月下一年度计划工作会及2014年8月全国热处理标委会年会讨论通过，申报国家推荐性标准。2016年1月，对本标准草案进行讨论；2016年5月，对讨论稿进行讨论、评审；2016年10月，标准征求意见稿通过评审，形成最终报批稿。
3 标准的结构与编制原则
3.1 标准的组成部分与编写结构
参考目前热处理方法标准的编排结构，本标准的正文部分至少包括：范围、规范性引用文件、术语和定义、热处理设备、热处理工艺、热处理质量与检测、校形、安全卫生要求、能源消耗要求、产品报告单。为进一步提高标准的工艺指导性，本标准提供了常用钢种的相变点、淬火温度和冷却方式、热处理有效厚度计算、常用钢种的淬火回火曲线、水冷判据、大型锻钢件心部终冷温度选取原则作为资料性附录。
3.2 标准的编制原则
(1)为满足国家标准格式的规范化要求，标准按GB/T 1.1—2009《标准化工作导则第1部分：标准的结构和编写》给出的规则起草。
(2)考虑到标准的适用性，标准编制时首先考虑采用最新的国家标准，其次考虑采用机械行业标准。
(3)本标准是在GB/T 16924—1997《钢件的淬火与回火》的基础上，根据大型锻钢件淬火与回火过程中的特有特点编制而成。标准中的主要技术内容和指标部分参考了《大型锻件材料及热处理》[1]、《热处理工艺学》[2]等书籍中关于大型锻件热处理中的内容，部分参考工厂实际生产经验制定。
4 标准技术内容说明
4.1 待处理工件
4.1.1 工件资料
为谨慎的编制和实施大型锻钢件的热处理工艺，负责实施热处理的车间需掌握必要的资料，至少包括工件的熔炼炉号或批号、工件质量、钢种牌号(必要时提供详细的实际成分)、工件外形及尺寸简图、工件前序简况(如成形方式、加工方式、是否经热处理等)，如有相关检测，需提供检测报告，如无损检测报告、金相报告等。
4.1.2 工件外观
大型锻钢件由于尺寸大，热处理时内外位置不可避免的存在较大的温差和热应力，如存在应力集中的区域，锻件容易出现较大的变形甚至开裂。故要求实施热处理前应对工件进行仔细的检查，表面应无裂纹、划痕、黑疤、锈蚀等缺陷，工件截面突变处应光滑过渡，避免出现尖角或直角，棱角处应做圆角或倒棱处理。
4.2 热处理设备
为满足不同种类的热处理需求，热处理设备设计制造企业开发了多种热处理设备。但对于大型锻钢件而言，其使用的热处理设备种类相对较少，加热设备主要有燃气加热炉、电加热炉，冷却设备不外乎水槽、油槽、喷风(雾)装置等。但为满足大锻件的工艺特性，这些设备又富有鲜明特色。
4.2.1 加热炉
加热炉的要求如下：
(1)大型锻钢件一般有较多的热处理余量，常规不考虑表面氧化脱碳的影响，故加热介质可为普通空气，只有少数特殊场合需要选用气氛保护。
(2)大型锻钢件由于尺寸巨大，加热时内外温升不同步带来的温差和热应力很大。为能有效的将加热时工件的热应力控制在一个不至于危害产品质量的范围，必须要求加热炉具备控速升温的功能。
(3)考虑到大型锻钢件的重要性，有必要保证加热设备的稳定性。淬火加热炉有效加热区应每6个月检测1次，检测方法应符合GB/T 9452《热处理炉有效加热区测定方法》或GB/T 30824《燃气热处理炉温度均匀性测试方法》要求。连续3个周期检定合格后，检测周期可延长至1年。
(4)为保证大型锻钢件各位置性能的均匀性，淬火加热炉有效加热区的偏差应不超过±10℃，其余需满足GB/T 16924《钢件的淬火和回火》及GB/T 32541《热处理质量控制体系》规定的要求。
4.2.2 淬火冷却设备
冷却设备的要求如下：
(1)淬火槽的容积应能提供足以吸收工件热量的淬火剂，保证淬火过程中，淬火用水的温度一般不超过40℃，淬火油的温度一般在20～80℃之间。淬火槽的尺寸应足够大，以保证锻件可以全部浸入。
(2)大型锻钢件由于尺寸巨大，淬火时往往很难获得快速冷却效果。为提高可获的冷却速率，淬火槽中应设置冷却循环搅拌装置，锻件淬火时应设置可以在槽内上下或左右移动的工装或吊具。
(3)虽然大型锻钢件质量巨大造成运输不便，但为保证淬火效果，仍需追求较快淬火转移速度，一般要求工件从加热炉转移至淬火槽的时间不超过8 min。大型锻钢件的淬火操作一般由淬火行车(起重机)实施，其应满足JB/T 7688.6中的要求。
4.3 热处理工艺
4.3.1 淬火加热
淬火加热曲线是大型锻钢件的热处理工艺的核心部分，要编制出加热曲线，最重要的是确定升温工艺参数和保温工艺参数。
大型锻钢件由于尺寸巨大必然存在内外温升不同步的情况，从而带来较大的热应力。为将热应力控制在不危害工件质量的程度，一般采用阶梯升温方式加热，即根据锻件钢种和尺寸选择合适的装炉温度并适当保温一段时间，再以较慢速率升至弹塑性转变温度(一般在600～700℃之间)，在该温度下等温一段时间使大型锻钢件内外温度均匀，然后以较快的速率升温至淬火温度。
大型锻钢件的淬火保温温度应比小件稍高，一般应取规定温度的上限。加热速率越高，奥氏体化温度的选择也相应偏高。
4.3.2 冷却
大型锻件的淬火冷却一般采取风冷、喷雾、油冷、水冷、水-油、水-空双介质、水溶性淬火液冷却等冷却方式。选择适当的淬火冷却方式、确定冷却时间是制定大型锻钢件淬火冷却工艺参数的核心。
选择冷却方式的原则是：为了在降低冷却过程中工件畸变、开裂和获得足够性能之间获得平衡，应根据材料性能要求和材料的过冷奥氏体连续冷却曲线(CCT曲线)，在满足性能要求的基础上，尽量选择冷却过程中热应力较小的冷却方式。如想选择激烈的水淬，可根据碳当量计算结果的淬火水冷判据进行可行性分析。
大型锻钢件的冷却时间的确定原则是：大型锻钢件心部的终冷温度不可过高，以保证心部获得性能所需的组织。同时心部温度也不可过低，以防锻件在低温阶段受到较大应力，增加锻件开裂或淬火冷却畸变风险性。
在工程实践中，对于预估实施很大的大型锻钢件，可在实际生产前采用工艺性试验或计算机模拟进行验证。
4.3.3 淬火回火间隔时间
工件淬火冷却结束后应尽快进炉回火，以防应力过大导致开裂。对于高合金钢等有较强淬裂性的锻件，淬火回火间隔不应超过2 h。
4.3.4 回火
为满足大型锻钢件不同的性能等级要求，淬火处理后需进行回火工序。制定回火工艺时要确定装炉温度、升温速率、保温温度、保温时间和冷却速率等参数。
装炉温度根据锻件材料的过冷奥氏体等温转变曲线(TTT曲线)确定，一般为与贝氏体终了温度和马氏体转变开始温度相接近的温度。在此低温下的等温时间应能使锻件心部组织得到充分转变。
回火后的冷却速率应予以控制，避免大型锻钢件产生较大的残余应力和瞬时应力。对于有残余应力要求的锻件，应尽量降低锻件在400℃以上的冷却速率。对于易产生回火脆性的锻件，可根据锻件具体形状尺寸，选择相应的冷却方法。
4.4 工艺过程控制
为谨慎的实施大型锻钢件的热处理，要求经培训合格人员按规定的操作规程实施热处理。具体的操作要求如下：
4.4.1 炉前清理检查
工件在热处理前需对表面进行检查清理。工件表面不应存在裂纹、黑疤、污迹等，截面处不应存在直棱角，如有棱角需打磨或作光滑过渡处理。表面裂纹或黑疤在热处理前需打磨干净，表面污迹在进炉前需清理干净。
4.4.2 装炉
工件应放置在加热设备的有效加热区内。工件的摆放应能使炉气在其内外表面流动畅通，加热均匀。针对工件形状特点和性能要求，设置合理的装炉方式和装炉设备，控制锻件的热处理畸变。细长轴件宜以垂直状态在热处理炉中加热和冷却。使用燃气炉加热时，需避免火焰直接喷射到工件上。
4.4.3 起吊
工件的起吊应保证操作安全性，减少对工件的冷却效果的影响。工件生产前，需进行试吊以确保操作时的安全性。
4.4.4 转移时间
应对工件淬火冷却时从热处理炉内转移到淬火槽的时间进行规定，以保证锻件淬火质量。工件进行液态淬火时，宜尽快全部浸入淬火槽。
4.4.5 记录
工件生产时所用生产设备、温度记录、工件放置位置、起吊方式等均须做好详细记录。所有记录应由相关操作人员在操作结束后签字确认。记录应留存以保证锻件质量问题的可追溯性。
4.5 热处理质量与检验
热处理决定大型锻钢件的力学性能和金相组织，故热处理后的质量与检测最重要的就是按相应的国家标准和材料规范取样进行力学性能和金相组织检测。其次是检查可能出现的热处理质量问题，主要是通过尺寸检测核实热处理畸变情况，通过目视检测或渗透、磁粉检测等手段检查锻件是否存在热处理裂纹，考虑大型锻钢件内部缺陷可能在巨大的热应力作用下扩展，应采用超声检测对热处理后的工件内部质量进行检测。
4.6 校形
大型锻钢件尤其是细长轴件、薄壁锻件等热态刚性往往较差，在加热时容易因为自重发生较大变形，而组织转变不同时带来的组织应力以及内外温度变化不同时带来的热应力均进一步加剧工件的变形。如发现大型锻钢件出现了影响最终交货尺寸的较大变形，可采取校形以恢复尺寸。
在淬火结束后、回火前进行校形较容易获得理想的效果。为减小校形抗力，需将工件加热至适当温度，校形温度应低于回火温度。如工件在淬火与回火后需校形，校形过程应该在比最终回火温度至少低55℃温度下进行校形。校形结束后，应在比最终回火温度低30～55℃的温度下进行去应力处理。
5 结束语
本标准总结了大型锻钢件生产企业多年的生产经验，贴近大型锻钢件的生产实际，较好的覆盖了大型锻钢件的主要生产和检验过程。本标准的编制可以为企业提供指导性依据，有利于推动大型锻钢件生产企业对产品质量的控制与提升，为重型装备行业的产业升级提供技术支持。当然，由于首次编制，本标准难免存在一些不足之处，在后续标准的执行过程中，编制组将与国内外同行继续交流和探讨，使之不断完善。
[1] 康大韬，叶国斌. 大型锻件材料及热处理[M]. 上海：龙门书局.
[2] 潘健生，胡明娟. 热处理工艺学[M]. 北京：高等教育出版社，2009.
编辑 杜青泉
Compilation Introduction of National Standard
Zhang Zhifeng
It introduces the background of project proposals of
heavy forging steel, national standard, compilation
2017—03—10
张智峰(1981—)，男，高级工程师，工学硕士，主要从事大型铸锻件热处理工艺研究。
TG156
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