大型铸锻焊件的热处理技术探讨

近年来，我国的大型铸、锻件制造水平快速提高，中国第一重型机械集团公司、中国第二重型机械集团公司、上海重型机械集团公司等国内重型制造企业已经具有世界一流的加工设备和制造能力。在大型铸钢件生产方面，国内企业具有一次性生产700t级钢液、浇注单重500t级铸钢件的能力。在大型锻件生产方面，国内企业具有浇注300～400t钢锭，制造超临界汽轮机低压转子、60～80MW核电锻件的能力。在世界范围内，我国与日本、西欧各国、韩国成为主要的大型铸、锻件生产基地。目前，国内对高质量大型铸、锻件需求量日益增加，呈现快速发展的前景。

为了改善材料组织、消除铸造、锻造、焊接工艺过程中形成的内部应力、获得满意的产品最终综合力学性能，大型铸锻件都需要经过适当的热处理工序，热处理工艺的选择是决定大型铸、锻件内在质量和最终性能的关键，直接影响到重大技术装备的水平和运行可靠性。大型锻件用正火工艺进行预备热处理，再用淬火加回火工艺进行性能热处理；大型铸件常采用正火加回火工艺改善组织。为降低工件的内应力，在加热过程中采用阶梯加热、长时间保温的工艺规范，生产周期很长。目前，我国对于大型铸、锻件的高效清洁热处理工艺研究对比国外相对滞后，在制定大型成套设备中的重要大型铸、锻、焊件（如主轴、压力筒等）的热处理工艺时，主要参考已有的经验曲线和数据，并对实物进行现场测试甚至解剖方能确定，工作繁重、周期较长、费用巨大，而且难以探索工艺的改进。国外采用热处理CAD技术优化大型铸件热处理工艺来提高热处理效率已相当成熟，且生产效率提高效果明显。据统计，我国大型铸、锻件热处理生产效率与美国相差26t、且电耗高于美国40％。另外，全国大约有5000多台煤炉，每年耗煤近50万t，燃烧产物中，排放的SO₂达1.5万t／年，还有近8.5万t／年的灰尘，造成严重的大气环境污染。因此高效率、绿色清洁热处理工艺，对于缩短大型铸、锻件生产周期、降低成本、缓解设备压力具有重要意义。

大型锻件在服役环境下大多承受较大的应力，对工件的综合力学性能要求较高，一般选择淬透性较好的合金钢。如40Cr、50Mn、35CrMo、42CrMo、40CrMnMo、42CrMo4、34CrNiMo6、5CrNiMo、H13（4Cr5MoSiV1）等。为充分发掘材料的潜力，大型锻件一般都需要进行热处理。但由于大型锻件都是由钢锭直接锻造而成的，所以在热处理过程中必须考虑冶炼、铸锭、锻造等过程对锻件内部质量的影响。其主要影响因素有：化学成分不均匀与多种冶金缺陷的存在，如偏析等；晶粒粗大且不均匀；较多的缩孔、缩松与夹杂物；较大的锻造应力。一般来说，工件尺寸和重量越大、钢中的合金成分含量越高，存在上述问题可能性就越大。如果组织存在严重的偏析、铸态树枝晶、硫化物等。在淬火时很容易发生淬火裂纹或崩角的热处理缺陷。直接造成工件的报废。因此大型锻件一般需进行锻后热处理，以改善锻件内部组织、消除锻造应力、降低硬度，提高锻件的加工性能、细化晶粒，使锻件获得良好的力学性能或为后续的最终热处理提供良好的组织条件。

大型铸、锻件大截面的增加，不可避免成分偏析、非金属夹杂、显微空隙等冶金缺陷，加热冷却过程中产生的内应力极大；大型钢制压力容器等典型焊件在焊接过程中陡的温度梯度所带来的残余应力，可存在于较长的宏观距离中或者高度集中；此外在大型铸、锻件热处理过程中巨大的内应力会转化为永驻于锻件内部的残余应力，其数值有时可达数百兆帕。此类内应力的存在对制件的疲劳、静强度、尺寸稳定性以及低应力脆性断裂等产生较大影响，极易引起工件的畸变和开裂，且缺陷修复极为困难，因而带来巨大损失。另一方面大锻件锻后组织多为粗晶组织，组织遗传性极强，使锻件力学性能下降，造成巨大损失。据报道，我国三峡700MW水轮机组转轮叶片、大型轧机工作辊等大型工件在制造中出现裂纹，1000MW核电机组中的顶盖也出现质量问题，其主要原因在于工件的热处理技术不当，致使大型铸、锻、焊件组织粗大、应力集中。我国大型铸、锻件热处理采用较多的炉窑低温加热时效工艺，其成本高，周期长，铸件性能等级低。为减少调质后大锻件中的残余应力，在大锻件调质时高温回火要在炉中长时间缓冷到100～200℃才出炉空冷。例如ϕ1000mm大型冷轧辊在淬火及研磨加工后进行低温回火处理时，保温时间达200h左右，不仅生产效率低，而且能耗也大。因此开发细化组织及去应力技术对提高我国大型铸、锻件内在质量和性能具有重要意义。(www.xing528.com)

综上所述，尽管我国在大型铸、锻件高效清洁热处理工艺及节能减排技术方面采取了一系列治理措施，但我国热处理生产的污染问题仍很严峻。现今我国大型铸、锻件热处理及节能减排技术、设备与世界先进水平之间存在较大差距，因此必须加快大型铸、锻件高效清洁热处理技术研究，打破国外技术垄断，推进我国大型装备技术发展。

先进的热处理技术首先应该是对环境没有污染的技术，包括清洁工艺、清洁设备和清洁材料等。现代制造业中的热处理，必须运用材料科学工程，更换传统材料，采用新钢种、高新工艺技术，不断研发高端的热处理设备。特别要转变观念，学习和借鉴国外热处理技术发展的先进经验，树立循环经济和可持续发展理念和绿色制造理念，努力促进技术装备优化升级，使我国热处理达到节能减排、清洁生产和优质高效的目标要求。