退火工艺设计避免白点问题

在合金结构钢、轴承钢、工具钢等的钢锭锻轧材或连铸坯轧材中经常出现白点，从生产中查找白点形成的原因也很困难，诸如炉料水分大、未进行真空脱气（VHD）或真空脱气时间不足、一次去碳量不够、锻造比不够、锻轧后空冷时间过长、在缓冷坑中的缓冷时间短、退火等温时间不够、退火冷却太快等，往往难以找出规律。虽然冶金生产全过程的许多环节不当均有可能诱发白点，但产生白点的诱因却只有两个：一是氢的质量分数高；二是内应力大。抓住这两条，搞好去氢退火，是防止白点的关键。以往的生产工艺周期一般很长，耗能大，生产率低。因此，制订科学合理的预防白点退火工艺具有重要意义。

1.Fe-H相图及氢在铁中的溶解度

为了科学制订预防白点的退火工艺，首先要弄清氢在钢中的存在状态。由图12-6所示的Fe-H相图可见，氢在钢中的溶解度极小，在α-Fe中比γ-Fe中的溶解度更小，这有利于氢的扩散溢出^[5]。

在905℃以上，钢中氢的质量分数过高时也会析出氢气，以γ-Fe＋H₂的状态存在。在905℃以下发生共析转变γ-Fe→α-Fe＋H₂，析出氢气。在905℃以下，氢在铁素体中的溶解度约低于3×10^－4％（质量分数）。氢原子存在于晶格间隙中，也可以在位错、界面等缺陷处存在。

一般认为，氢溶解于钢中使钢失去塑性，过饱和的氢在钢中的显微孔隙中造成分子氢的压力，氢气析出时体积急剧膨胀，聚集在一起成为一个气泡，撑开孔隙，即形成白点。这时若存在内应力，将协助氢撑开孔隙，形成脆性裂纹。因此，要避免固溶状态的氢变成氢气。

图12-6 101.325kPa下Fe-H相图的一部分

2.氢在钢中的扩散

将钢中过饱和的氢全部扩散溢出，是避免白点产生的最根本的措施。氢在α-Fe和γ-Fe中具有不同的扩散系数，不同温度下氢在α-Fe和γ-Fe中的扩散系数见表12-1。可见氢在α-Fe中的扩散系数较大，因此选择在铁素体的组织中进行脱氢。例如，选择铁素体＋珠光体、托氏体、索氏体中扩散，氢的扩散速度较快。当锻轧后冷却得到贝氏体组织再升温脱氢时，由于贝氏体组织以铁素体为基体，并且存在大量界面、位错等缺陷，因而有利于加速氢的扩散。

在A₁以下各温度等温均可以进行脱氢，为了有效地使氢扩散溢出，并充分利用能源，应该科学地选择预防白点的退火温度。

氢在α-Fe和γ-Fe中具有一定溶解度，当钢中存在大量缺陷，如疏松、界面、位错等时，氢的饱和溶解度将增大。当氢的质量分数降低到饱和溶解度时，就难以再继续扩散溢出了。

氢在α-Fe中的扩散系数D_α比在γ-Fe中扩散系数D_γ大得多，温度越低，氢在α-Fe中的扩散系数越大。例如，1300℃时D_α/D_γ≈1；700℃时D_α/D_γ≈8；600℃时D_α/D_γ≈14；400℃时D_α/D_γ≈71；300℃时D_α/D_γ≈180。可见，温度越低，氢在α-Fe中的扩散越快。

表12-1 氢在α-Fe和γ-Fe中的扩散系数^[5]

3.预防白点的退火工艺

（1）加热与透烧 钢坯的预防白点退火一般在箱式台车炉中进行，采用煤气加热或电加热。加热速度一般为50～100℃/h。由于装炉量较大，一般有数十吨甚至上百吨，因此难以实现快速加热，而且透烧也很耗时，尤其是对于大锻件，把握透烧时间至关重要。透烧时间可以应用计算机计算，也可以实际测定。

锻件在各个加热阶段的升温速度原则上均可以提高，尽量加快升温速度有利于提高效率。锻件在台车式退火炉中的加热速度下不会产生裂纹，如在600～650℃待料后，应尽量提高锻件的升温速度。如果采用锻后冷却到300～400℃等温，令其形成贝氏体组织，则之后的升温过程也可以快一些，一般为100℃/h。

（2）保温温度和冷却速度 退火缓冷到150℃时，氢在铁素体中的溶解度仍然约为0.9×10^－4％。电炉炼钢的钢液中氢的质量分数一般为4×10^－4％～6×10^－4％，VHD真空脱气处理后氢的质量分数可以不超过2.5×10^－4％。由于不同温度下铁素体中氢的溶解度不同，扩散系数也不等。扩散通量，所以，氢的去除既与扩散系数D成正比，又与氢在钢中的浓度梯度成正比。扩散系数D随温度降低而变小，浓度梯度与氢的质量分数、锻件尺寸和溶解度等因素有关，是个变量。因此，最好分阶段脱氢。

将锻件锻轧后空冷到Ms点稍上温度等温（约300℃），使其转变为贝氏体组织，它具有铁素体基体。此时的铁素体中的氢处于过饱和状态，开始脱氢。等温一段时间，使锻件表面层脱氢到质量分数约为1.26×10^－4％（此含量约为氢在铁素体中的平衡溶解度），此时与锻件心部形成较大的浓度梯度，造成氢扩散的热力学条件。锻轧材的直径越大，浓度梯度越小，扩散通量越小。因此，大锻件预防白点的退火时间较长。

为了加速扩散，可以提高等温温度，加热到A₁稍下温度（如700℃左右）等温，增大扩散系数D。700℃时的氢饱和溶解度约为2.29×10^－4％，保温一定时间后，心部达到此值时即达到饱和溶解度，氢原子将难以扩散，这时则需要降温，冷却到下一段较低的温度，使氢重新达到过饱和状态，脱氢才能继续进行。

将锻件缓冷到600℃左右等温，氢在铁素体中的溶解度约降低到2.03×10^－4％，又达到过饱和状态，且形成浓度梯度，继续扩散脱氢。保温一段时间后，当心部达到饱和溶解度时保温完毕。(https://www.xing528.com)

在冷却阶段，当钢中氢的质量分数达到2×10^－4％左右时可以在炉中连续缓冷了，缓冷过程将持续脱氢，冷却速度控制在15～40℃/h范围内，冷却到150～200℃后出炉空冷。

缓冷是降低内应力的重要措施。通过缓冷将氢的质量分数降低到1.8×10^－4％以下，且消除了组织应力和热应力，当然就不产生白点了。

按照上述方法不断等温、不断降温、不断降低溶解度、不断保持浓度梯度，则能不断扩散脱氢。因此，应将等温和缓冷相结合，以达到去氢、防止白点的目的。

（3）预防白点的退火保温时间 在制订预防白点的退火工艺前，应先了解钢锭的冶金过程，测定钢液中氢的质量分数。退火保温时间应该依据钢中的含氢量和锻轧材尺寸而定。应用计算机软件可以计算氢在钢中的浓度场，计算出氢的质量分数，不同锻轧材尺寸的预防白点退火保温时间。锻轧材尺寸不同，缓冷速度和出炉温度也不同。

42CrMo钢采用某种退火工艺时的退火保温时间与钢锭中氢的质量分数及工件尺寸的关系见表12-2。

表12-2 42CrMo钢预防白点的退火保温时间、冷却速度及出炉温度

为了防止锻件中出现白点，实现节能、降耗、提高生产率的目标，需要与时俱进、科学地制订和实施预防白点的退火工艺。依据固态相变原理，根据氢在钢中的分布及运动规律，应用计算机软件计算锻件温度场及氢浓度场，按照特殊钢锻件的质量要求，并且结合丰富的实际经验，对锻件预防白点的退火工艺进行全面整合，制订并且设计工艺。具体工艺原则如下：

1）防止白点，关键是控制好退火保温或缓冷，并以氢的质量分数为第一依据、内应力为第二依据，设计在铁素体状态下的科学去氢工艺。

2）去氢要贯彻全程概念，充分利用能源，在A₁～150℃温度范围内合理安排。

3）退火保温时间以钢液中的原始氢的质量分数为第一依据、锻轧材尺寸为第二依据，分等级设计。当钢锭中氢的质量分数在2.5×10^－4％以下时，可以大大简化退火工艺。当锻轧材直径小于200mm时，也可以轧后在缓冷坑中冷却。

4）保温后要缓慢冷却，一是为了继续去氢，二是为了避免内应力促发白点。冷却速度根据锻轧材的有效直径在10～40℃/h范围内选择。

5）预防白点退火各阶段的时间参数均可以应用计算机计算，也可以依据经验或实测确定。

（4）典型钢种的预防白点退火工艺42CrMo钢大锻件预防白点的退火工艺曲线如图12-7所示，该工艺的特点主要是缩短了工艺周期，提高了物流速度，从原工艺的89h缩短为45h，大幅度地实现了节能降耗。

如图12-7所示，大锻件经850～880℃奥氏体化后出炉空冷，冷却时控制冷却速度，使锻件冷却到500℃左右，然后升温到去氢温度进行等温，使之转变为铁素体＋珠光体组织。42CrMo钢大锻件也可以在重结晶后空冷到350℃左右等温，使其转变为下贝氏体组织，然后加热到650℃去氢。

在640～680℃等温后的缓慢冷却也是很重要的。从表12-2中的预防白点退火工艺参数可以看到，在400℃以上的冷却速度为40～50℃/h，400℃以下的冷却速度为20～30℃/h。在这样缓慢的冷却过程中，氢在铁素体中的溶解度不断降低，氢原子在铁素体中有足够的扩散能力。这些工艺参数为不断去氢提供了热力学和动力学条件。

在室温下，氢在铁素体中的溶解度仅为0.5×10^－4％；而在650℃时，氢在铁素体中的溶解度约为2.1×10^－4％，如果在650℃等温后出炉快冷，那么氢难以从大锻件中扩散逸出，冷却后钢中氢的质量分数仍然是过饱和的，则经过一段时间的放置仍然会出现白点或氢脆。因此，650℃等温去氢后需要缓冷。缓冷实际上是分成很多小的等温段，分阶段地去氢。缓冷是持续去氢的过程，控制冷却速度，冷却到150～200℃后出炉空冷，氢在铁素体中的质量分数可降到0.8×10^－4％以下。缓冷也是防止产生内应力的重要措施，以消除其影响。

工业实践表明，42CrMo钢预防白点退火后的晶粒度为7.5级，组织为铁素体＋珠光体，退火后测定氢的质量分数为0.36×10^－4％～0.57×10^－4％，不会产生白点，也避免了氢脆。该工艺可大幅度节能、降耗，提高了生产率，经济效益显著。

图12-7 42CrMo钢大锻件预防白点退火工艺曲线