锻造余热的利用实例及相关措施

在锻造车间配备必要的热处理设备，利用锻造余热进行热处理，是一种行之有效的节能工艺，而且所获得的力学性能有可能比普通热处理的还要高。例如，利用锻造余热的淬火具有高温形变热处理效果，可明显提高钢的淬透性，使晶粒内亚结构细化，马氏体组织变细，晶体缺陷的增加和遗传以及碳化物的弥散析出，可使抗拉强度R_m提高10%，冲击韧度a_k增加20%，而且可省略锻造后的正火、退火和调质预备热处理，因而节能效果显著。在生产中利用锻造余热热处理能够使毛坯热处理能耗降低50%～70%。

利用锻造余热等温退火可显著改善渗碳钢的心部性能。锻造余热淬火还可以降低钢的脆性转变温度和缺口敏感性。利用锻造余热的淬火和等温正火已在汽车工业中得到推广应用。

利用锻造余热进行各种热处理，组成连续的锻造-热处理生产线，可大大缩短产品的生产周期，提高生产效率，还可以显著地节约能耗，提高产品质量。

利用锻造余热的热处理可分为：中碳钢及低合金钢锻造余热淬火；工具钢的锻造余热预备热处理；锻造余热退火及锻造余热正火等。

锻造余热热处理除了能够获得较好的力学性能以外，还可以省去热处理时的重新高温加热，从而节省了大量能耗、加热设备和车间面积，减少材料的氧化损失及脱碳、畸变等热处理缺陷。

1.利用锻造余热淬火及其应用实例

锻造余热淬火属于形变热处理范畴。该方法利用锻造后的工件余热（高于Ac₃温度）直接进行淬火，省略一次重新加热淬火过程，因而具有节能、环保的优点。

（1）锻造余热淬火的强化机理 它与具体钢种及锻热淬火规范有关。锻造余热淬火可以有效地提高钢材的淬透性，从而有益于获得均匀的淬火质量，通过回火特别是高温回火，可以获得较高的综合力学性能。如利用锻后余热淬火+高温回火作为预备热处理，可以消除将锻后余热淬火作为最终热处理而出现的晶粒粗大、冲击韧度低的缺点，比球化退火或一般退火的时间短，生产率高，加上高温回火的温度低于退火和正火，所以能大大降低能耗，而且设备简单，操作容易。

（2）锻造余热淬火的性能 与一般淬火、回火钢的性能相比，锻热淬火可使钢件硬度提高10%、抗拉强度R_m提高3%～10%、伸长率A提高10%～40%，冲击韧度a_k提高20%～30%。

（3）锻造余热工艺参数的选择 ①对于中碳钢及低合金钢，锻造加热温度应控制在1250℃以下；②终锻后至淬火前的停留时间控制在40～60s以内；③锻造余热淬火温度根据钢材的塑性在900～1000℃范围内选择；④关于冷却介质的选择，除碳含量较低（质量分数在0.3%以下）的碳钢应在含有防裂剂（即降低水的冷却速度的添加剂）的水中淬火外，通常可采用普通淬火油、水溶性淬火冷却介质等；⑤模锻时以压延变形为主，变形速度越快，强化效果越好；辊锻时，对于锻造加热温度为950℃的低温锻造，如要求获得较高的回火硬度及冲击值，锻造比必须大于1.5；⑥锻造余热淬火后的回火不应超过4h，锻造余热淬火钢要获得普通调质钢相同的硬度时，其高温回火温度应比一般调质的回火温度高20～50℃。

（4）利用锻造余热淬火应用实例 见表2-123。

表2-123 利用锻造余热淬火应用实例

图2-28 汽车前轴锻热淬火工艺

图2-29 汽车前轴余热控温淬火工艺

2.工具钢与轴承钢的锻造余热淬火+高温回火代替球化退火

（1）锻造余热淬火+高温回火代替球化退火 对于工具钢，一般采用在锻造后空冷，然后进行较长时间的球化退火，作为获得细小均匀分布碳化物的预备热处理，这种预备热处理不但生产效率低，而且能量消耗大，并且还不能充分发挥材料的潜力。

采用锻造余热淬火+高温回火作为预备热处理，可获得细小均匀分布的碳化物组织，比球化退火工艺效果还要好，并且只需4h高温回火，就可以代替24h的球化退火，从而大大节约能源。

有试验表明，经锻造余热淬火预备热处理后获得的细化组织，可使第2次淬火获得更细的马氏体，马氏体针长为原工艺的1/10～1/7，在强化工具钢材料的同时还提高了塑性。对于Cr12工具钢采用较低温度锻造余热淬火，也可以获得同样结果。锻造余热预备热处理与普通球化退火处理的比较如图2-30所示。

图2-30 锻造余热淬火预备热处理与普通球化退火处理的比较

a）锻造余热淬火预处理 b）普通球化退火处理

（2）轴承钢的锻造余热淬火预备热处理

1）常规工艺。对于轴承钢（如GCr15钢），一般以高温正火或直接淬油冷却，作为球化退火的预备热处理，以消除和减少网状碳化物。其工艺流程为：锻压→辗扩后空冷（或喷雾）→正火（喷雾）→连续退火（球化退火）→机械加工→最终处理。该工艺周期长，能耗高。

2）锻造余热淬火+高温回火工艺。锻造余热淬火预备热处理工艺流程为：锻压（始锻温度1000～1200℃）→辗扩后沸水淬火→高温回火（代替球化退火）→机械加工→最终处理。

锻造余热淬火+高温回火工艺如图2-31所示。

图2-31 锻造余热淬火+高温回火工艺曲线

a）锻造余热沸水淬火 b）高温回火

此工艺可获得均匀分布的点状珠光体+细粒状珠光体组织，其硬度一般为207～229HBW。该工艺的实施，可以显著缩短生产周期，节约能源。

3）锻造余热淬火+快速等温退火。将锻造余热沸水淬火的锻件加热到稍高于Ac₁进行等温退火，可获得均匀的细小粒状+点状珠光体组织，其硬度为187～207HBW。具体工艺如图2-32所示。新工艺的实施，不仅可以缩短周期，节约能源，而且能够保证退火质量。

3.利用锻造余热退火和等温退火及其应用实例

（1）锻造余热退火 它是利用锻造后工件的余热，立即加热退火的热处理工艺，其工艺过程如图2-33所示。采用这一工艺时，必须严格控制终锻温度，若其温度高于钢的临界温度，则余热退火起不到细化晶粒的作用。锻造余热退火适用于大批量生产的工件，可有效地节约能源，而且还可以细化组织，进一步改善性能。

图2-32 经沸水淬火后锻件进行快速等温退火工艺

图2-33 锻造余热退火工艺示意

（2）锻造余热等温退火 它是利用锻造后锻件的余热，迅速将其均匀地冷却到Ar₁以下的珠光体相变区进行等温转变。这样既利用了余热，又可以获得铁素体和珠光体的等轴晶粒组织。可根据等温温度调整硬度，从而提高切削加工性能，降低工件表面粗糙度，减少工件渗碳淬火畸变。

由于省去了锻造后重新加热锻坯所进行的等温退火工序，减少了氧化、脱碳的倾向，减少了后续抛丸清理工序的成本，从而大大节约了热处理能源，降低了锻件成本。

将低碳合金钢（如20CrMnTi、20CrMnMo、20CrMo钢等）在终锻切边后，以40～50℃/min的冷却速度冷却到600～700℃，保温至完成珠光体转变，然后空冷或在室内冷却。利用锻造余热进行等温退火代替常规等温退火，可节省约70%的燃料，而且还可以改善组织与性能。以20CrMo钢为例，锻造余热退火与常规正火的性能比较见表2-124。

表2-124 20CrMo钢锻造余热退火的性能

为了保证结构钢的可加工性，往往将其在终锻后迅速冷至600℃（7～10min），保温3h后可获得微细珠光体+铁素体组织，此时，宜于机械加工。锻件锻造余热等温退火工艺曲线如图2-34所示。一些钢材的锻造余热等温退火温度及硬度见表2-125。

图2-34 锻造余热等温退火工艺曲线

注：t₁——7～10min，急冷时间为本工艺关键项目；t₂——根据等温转变图求得，并适当增加；t₃——空冷或冷却室内冷却。

表2-125 锻造余热等温退火温度及硬度(www.xing528.com)

（3）利用锻造余热等温退火应用实例 见表2-126。

表2-126 利用锻造余热等温退火应用实例

图2-35 齿轮锻件锻造余热等温退火工艺曲线

图2-36 锻造余热等温退火工艺曲线

4.高速钢锻后余热快速球化退火工艺及其应用

高速钢常规球化退火工艺周期长、效率低、能耗大，而且碳化物分布的均匀性也较差。对此，可以选择锻造后利用余热进行的高速钢快速球化退火工艺（见图2-37和图2-38）。

图2-37 温（热）加工后快速球化退火工艺曲线

a）W18Cr4V钢 b）W6Mo5Cr4V2钢

图2-38 高温锻造快速球化退火工艺曲线

a）W18Cr4V钢 b）W6Mo5Cr4V2钢

（1）温（热）加工后快速球化退火工艺 其工艺如图2-37所示。工艺要点为控制锻材的终锻温度。终锻后立即将坯料转入880℃的加热炉中等温保持，之后控温冷却（45～60℃/h）到650℃出炉空冷。高速钢锻件经快速球化退火后有很多优越性，特别是提高了钢的抗弯强度及韧性，因而提高了刀具的使用寿命。

（2）高温锻造快速球化退火工艺 其工艺如图2-38所示。该退火工艺与图2-37相似，差别在于图2-37为钢材经温（热）加工后的工艺。这种快速球化退火（见图2-38）的工艺周期是5～6h，仅为常规工艺方法的1/4～1/3，其节能效果非常显著。毛坯经快速球化退火后碳化物分布均匀，硬度适中，便于机械加工。此外，与常规球化退火方法相比较，快速球化退火的高速钢经最终热处理后强韧性也较高。

5.利用锻造余热调质及其应用实例

调质是淬火后进行高温回火的复合热处理工艺。由于它能够获得较高的综合力学性能，因此得到广泛应用。但由于调质要进行两次加热，因此耗能大。利用锻后余热进行锻坯的调质处理，可以节约重新加热所需的能耗，而且还能获得改善组织和性能的效果。

采用锻后余热淬火+高温回火作为调质预备热处理，可以消除将锻后余热退火作为最终热处理而出现的晶粒粗大、冲击韧度低的缺点，比球化退火或一般退火的时间短，生产效率高，加上高温回火的温度低于退火和正火，所以能大大降低能耗，而且设备简单，操作容易。

表2-127为利用锻造余热调质应用实例。

表2-127 利用锻造余热调质应用实例

（续）

图2-39 曲柄锻件外形尺寸

图2-40 曲柄锻造余热调质工艺

表2-128 锻造余热调质试样性能

6.利用锻造余热固溶处理及其应用实例

对一些材料采用锻造余热固溶处理，不仅可以使材料的力学性能达到技术要求，而且可以节省重新加热固溶处理所需的能源，因此能显著降低工件生产成本，并提高生产效率。

例如，06Cr19Ni（旧牌号0Cr18Ni9）不锈钢的锻造余热固溶处理。

（1）原工艺及存在问题 对于奥氏体不锈钢锻件，传统的工艺是将终锻温度为900～950℃的锻件空冷到室温，然后再重新加热到1100～1150℃固溶处理。该工艺能源浪费严重。

（2）锻造余热固溶处理 06Cr19Ni不锈钢管、板，其电渣重熔钢锭的锻造加热工艺为（850～900）℃×8h，从850℃升温至1180℃时的升温速度为80～90℃/h，在1180～1200℃保温8h。始锻温度1200℃，终锻温度不低于950℃，锻造后立即重新装入天然气炉中加热，在1050～1100℃保温1～1.5h出炉水冷。其热处理后的力学性能见表2-129。通过表2-129可以看出，不锈钢锻造余热固溶处理后的力学性能完全可以满足国标规定。

表2-129 06Cr19Ni钢锻造余热固溶处理后的性能

（3）节能效果 该工艺节省了重新加热固溶处理所需能源，因此降低了能耗和成本，提高了生产效率。

7.利用锻造余热正火

利用锻造余热正火，与一般正火相比，不仅可提高钢的强度，而且还可以提高其塑性和韧性，降低其冷脆转变温度和缺口敏感性。利用锻造余热进行正火工艺，代替重新加热正火工艺，可省去一次再加热的工艺过程，因而节省了能源。

低碳合金结构钢，如15Cr、20Cr、20CrMnB钢等，可在终锻切边后，以一定的冷却速度冷至500～600℃（一般5～7min），然后立即加热到Ac₃以上进行正火处理。图2-41所示为锻造余热正火工艺曲线。几种钢材的锻造余热正火温度及硬度见表2-130。

图2-41 锻造余热正火工艺曲线

注：t₁——5～7min；t₂——尽量短时间；t₃——正常加热时间的2/3；t₄——根据装炉量大小等定；t₅——空冷或冷却室内冷却。

表2-130 锻造余热正火温度及硬度