盘圆料球化退火质量和成本控制

龙必查

(广东自生电力器材股份有限公司，广东 佛山 528234)

得出了如下的规律：

1) 调质预备热处理的抗内氧化的能力明显好于正回火预备热处理的；

2)一次淬火的抗内氧化的能力明显好于二次淬火的；

3)随着渗碳保温时间的延长，表层内氧化层的深度增加，内氧化程度严重。

结论：12Cr2Ni4合金渗碳钢预备热处理采用调质、渗碳后采用一次淬火、渗碳保温时间短，表层内氧化层深明显减小。

1 选题背景

球化退火作为预先热处理，是我公司紧固件生产过程中首个关键工序和关键环节，也是最为耗时、耗能的工序[1]。15～24吨/炉产品大装炉量；生产周期又长，超过30 h；每炉电费多，大于 7000度/炉。退火后硬度高低对生产效率的提高、防止冷镦开裂、提高冷镦模具使用寿命有直接影响[2]。退火后受表面脱碳的影响，会改变螺栓的机械或物理性能，降低螺纹强度并可能造成螺纹失效，从而直接影响产品的机械性能[3]。

2 设备检查

2.1 现状调查

通过对球化退火炉设备的检查发现：炉底风机坏了，长期的加热导致炉底板也开裂了，炉内胆有泄漏，见图1。技术资料显示，在炉壁、内桶(或炉胆)上，一个10 cm2的小孔，每小时侵入炉内的空气可高达10 m3[4]。

球化退火炉的炉盖、炉胆和热电偶测温及电热元件引出孔等处的密封性不够好，在这些部位容易产生漏热，一个1 cm3的小孔的热损失要比炉壳表面的热损失大50倍左右，而大孔的热损失可大到100倍以上。孔越大越严重。因此，需采取措施加强密封[5]。

炉底板开裂、炉底氧化物积集严重；设备控制仪的4个控温仪表有2个需更换，热电偶控温不准，也要进行更换。

由于设备维修欠及时，导致退火后硬度高，ML40Cr退火后硬度达88 HRB、SWRCH35K退火后硬度达78 HRB；如未通保护气体，退火后脱落的氧化皮厚度达0.10～0.18 mm。

图1 炉内热电偶测温处裂缝Fig.1 Crack at temperature measurement position of thermocouple in furnace

2.2 对流系统

由内桶、对流桶、对流风扇、导流板、炉底板和炉盖组成一个封闭的内循环对流系统，见图2。其功效主要有两点：在强对流风扇的作用下，气流沿内桶和对流桶之间的空隙自下而上以旋转方式流通到顶部后，转而均匀地向下覆盖整个工件后流向底部风扇进行循环对流；除可保证炉内气氛的均匀性外，重要的是系统强化了热对流这一加热形式，使炉内工件的受热更加均匀，从而使炉内气氛均匀性和炉温均匀性达到了最佳状态[6]。

图2 对流系统循环图Fig.2 Circulation diagram of the convection system

在导流板上盖有φ3850 mm×40 mm的炉底支撑板(形成密封)，见图3，使叶轮风机产生的风力沿导流板、导流桶外侧、炉旁边自下而上对流(从旁边而非从中间)，即为超强对流型球化退火炉，详见对流系统。从上向下观察，如图4所示的强对流风扇叶轮(顺时针)的旋向和导流板(逆时针)弧度相反。因炉底板(图5) 开裂，导流板和炉底板间有泄漏：会影响炉内气体循环，对流不好，也影响材料硬度。

图6是安装在炉底的强对流风扇叶轮，把风引导吹向旁边、热量向四周扩散。图7 是底座料架将材料悬空搁置。形成气体循环回路，图8为波纹型导流桶，特殊波纹构造有利于加强炉内气体循环流动，加强对流传热，更增加了温度的均匀性。

图3 炉底支撑板Fig.3 Support plate of furnace buttom

图4 对流方向Fig.4 Convection direction

图5 炉底(支撑板) 开裂Fig.5 Cracking of furnace bottom(support plate)

图6 强对流风扇叶轮Fig.6 Fan impeller of strong convection

图7 底座Fig.7 Pedestal

图8 波纹型导流桶Fig.8 Corrugated guide bucket

3 原因分析确认

对球化退火炉设备进行原因分析确认，见表1。

4 试验生产

我厂对设备的状况进行了分析和深入研究，对球化退火炉及控制系统进行了维修、维护及保养，并确认设备性能达到最佳状态后，按原工艺(1#、2#)和新工艺(3#)进行生产试验，工艺曲线见图9～图11。

表1 要因确认表

图9 工艺1#球化退火曲线Fig.9 Spheroidizing annealing curve of 1# process

图10 工艺2#球化退火曲线Fig.10 Spheroidizing annealing curve of 2 # process

图11 工艺3#球化退火曲线Fig.11 Spheroidizing annealing curve of 3 # process

试验前设定了目标值，每炉节省用电500度，(按电费0.8元/度)，每炉节约费用400元，每月生产10炉，全年节约用电12×10×400=48000元。

按紧固件冷镦工艺要求，球化退火最终目的是改善盘圆钢材的原始组织，以降低材料硬度，提高材料塑性，以满足冷拔变形的要求。根据不同钢号，试验前也制定了球化退火技术要求，SWRCH35K退火后硬度不大于75 HRB，SWRCH45K退火后硬度不大于77 HRB，ML40Cr退火后硬度不大于82 HRB，SCM435和ML42CrMo经球化退火后不大于85 HRB。

按3#工艺球化退火后实测SWRCH35K、SWRCH45K、ML40Cr、SCM435和ML42CrMo退火后硬度分别为72、74、79.5、83和84 HRB；球化退火后金相如图12所示，符合JB/T 5074—2007《低中碳钢球化体评级》标准的要求。

5 成本控制结果与分析

表2为(按退火降温至500 ℃出炉时)三种工艺与电费分析表，设备加热炉功率为580 kW, 各工艺与电费分析表中以P代替。

综合分析：3#工艺在降温阶段采用了控制冷却速度(简称“控制冷”)方法，将 “原先传统冷却方法，760 ℃随炉冷却至650 ℃”改为：从760 ℃分两步控制冷却至650 ℃，即第4步从760 ℃降温至700 ℃和第5步从700 ℃降温至650 ℃；结合第3步，也确保了球化退火组织转变所需的加热温度和保温时间(760 ℃×5.5 h)，以得到均匀分布的球化组织，从而降低盘圆钢的硬度。由于工艺的改变缩短了降温时间，同时每退火一炉生产总时间比原先减少13 h，电费自然可节约，最终结果也会达到(或接近)实验开始时设定的目标值，不可否认，也大大提升了生产效率。

(a) SWRCH35K；(b) SWRCH 45；(c) SCM 435；(d) ML42CrMo；(e) ML40Cr图12 工艺3#球化退火后的试样金相组织Fig.12 Microstructure of sample after spheroidizing annealing of 3# process

工艺升温保温降温合计时间/h电费(时间×0.85P)时间/h电费(时间×0.4P)时间/h电费(时间×0.1P)时间/h各工艺耗电之和1#1613.6P292.9P4516.5P2#97.65P9.253.7P262.6P44.25 13.95P3#97.65P6.252.5P161.6P31.2511.75P备注耗电系数在0.8～1.0范围内选取,本工艺按0.85 P耗电系数按0.4P耗电系数按0.1P

6 改进措施及效果确认

针对生产中出现的质量问题，我厂经过对球化退火设备的全面检查，对原因进行了分析，对设备及生产工艺进行了技术改进和优化，对盘圆料球化退火的保温时间和冷却时间作出调整，得到符合技术要求的金相组织和硬度。满足了紧固件生产过程中的要求。新工艺的应用为工厂带来了直接经济效益，预计每年可节约电费成本5万元[7]。