軸類大鍛件鍛后余熱熱處理工藝研究

1、軸類大鍛件鍛后余熱熱處理工藝研究 摘 要：為提高鍛件熱處理組織力學(xué)性能并達(dá)到提高熱處理效率、降低生產(chǎn)成本、節(jié)能的目的，根據(jù)某船用大鍛件的力學(xué)性能要求，提出一種大型鍛件余熱熱處理工藝方法，該工藝方法由余熱正火和普通調(diào)質(zhì)處理兩部分組成；基于有限元數(shù)值模擬軟件deform-3d，對該鍛件的余熱正火、調(diào)質(zhì)熱處理過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了鍛件余熱熱處理過程中的溫度、等效應(yīng)力及組織變化規(guī)律。結(jié)果表明，相對常規(guī)熱處理工藝而言，在確保鍛件具有理想的熱處理組織及良好的綜合力學(xué)性能前提下，采用余熱熱處理工藝能有效地縮短熱處理加熱時間。 關(guān)鍵詞：軸類大鍛件；余熱正火；調(diào)質(zhì)；數(shù)值模擬 abstract: a kind

2、 of heat treatment process for afterheat utilization for long-shaft heavy forgings, including normalization with afterheat utilization as well as conventional thermal refining, is put forward to improve the microstructure and mechanical properties after heat treatment and the productivity effect and

3、 to decrease the production cost and energy consumption. the process is simulated based on the fea software deform-3d and the variation rules of temperature, equivalent stress and metallographic structure during heat-treatment are obtained. it shows that comparing with the conventional heat treatmen

4、t, under the condition that the desired metallographic structure and comprehensive mechanical properties are guaranteed satisfactorily, the heating hours can be shorten greatly by adopting the heat treatment process for afterheat utilization. key words: long-shaft heavy forging; heat treatment for a

5、fterheat utilization; thermal refining; numerical simulation 1 引言 大型鍛件鍛后性能、組織極不均勻，須通過熱處理進(jìn)行改善1。相對于常規(guī)熱處理而言，余熱熱處理工藝毋須將鍛件重新加熱到奧氏體化，可節(jié)省大量的能源，且其對現(xiàn)有生產(chǎn)線也無較大改造2。 采用數(shù)值模擬方法既可以研究熱處理過程的溫度、組織和應(yīng)力分布，又可節(jié)省現(xiàn)場試驗(yàn)的費(fèi)用、時間和精力，還能對熱處理工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，能在實(shí)際生產(chǎn)中起到很好的指導(dǎo)作用。 本文根據(jù)某鍛件力學(xué)性能要求制定出合理可行的余熱熱處理工藝,采用有限元數(shù)值模擬軟件deform- 3d對該鍛件在余熱熱處理過程的溫度變

6、化、組織轉(zhuǎn)變和應(yīng)力分布情況進(jìn)行了研究。 2 余熱熱處理工藝的制定 某船用中間軸鍛件材料為35crmo合金結(jié)構(gòu)鋼，其實(shí)際尺寸如圖1所示，熱處理后力學(xué)性能要求如表1所示。含碳量0.25%0.6%的合金結(jié)構(gòu)鋼鍛后一般都要進(jìn)行正火或正火加高溫回火，經(jīng)機(jī)加工后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。為此，制定出的35crmo大鍛件熱處理工藝包括以下兩個階段：第一階段為熱處理預(yù)先工藝，即鍛造后的余熱正火；第二階段為最終熱處理工藝，即調(diào)質(zhì)處理。 單位：mm 圖1 某船用中間軸鍛件圖 表1 某船用中間軸力學(xué)性能要求 在熱處理過程中，鍛件內(nèi)部溫度場的變化很大程度上取決于鍛件直徑，而軸向長度對溫度變化影響不大2；本文研究的船用大鍛件的長徑

7、比遠(yuǎn)大于3，故可忽略兩端的影響3。為降低試驗(yàn)成本，采用如圖2所示的一端帶法蘭的長軸類鍛件（長徑比約3.5）進(jìn)行模型試驗(yàn)。 單位：mm 圖2 模型試驗(yàn)鍛件尺寸 2.1 余熱正火工藝規(guī)范的制定 為充分利用鍛后余熱、降低能耗，并有效避免鍛件心部在回爐正火加熱過程中晶粒顯著長大現(xiàn)象，在余熱正火加熱之前，須將鍛件空冷一段時間，待鍛件心部溫度降至正火溫度以下（880oc）時再進(jìn)行回爐正火，隨后出爐空冷。為此制定出如圖3所示的大鍛件余熱正火工藝規(guī)范：鍛件鍛后空冷至600oc左右，此時心部溫度在860oc左右；隨即將紅熱鍛件放入爐中加熱，并于正火溫度（880oc）保溫一段時間，其保溫時間一般為傳統(tǒng)工藝時間的6

8、0%80% 4，然后出爐空冷。 圖3 余熱正火工藝規(guī)范 2.2 調(diào)質(zhì)工藝規(guī)范的制定 2.2.1 淬火 35crmo屬中碳合金鋼，其淬火加熱溫度為840oc860oc 5，為使負(fù)偏析區(qū)在加熱時達(dá)到淬火溫度，取最終淬火溫度為860oc；淬火加熱方式采用大鍛件熱處理常見的階梯式加熱。 由于35crmo合金鋼材料中添加了一些合金元素，淬火時需采取相對碳素鋼更長的加熱時間以均勻鍛件內(nèi)部碳化物6。該鍛件橫截面較大（直徑約280 mm），其吸熱量也較大，需進(jìn)行階段保溫使大鍛件表面到心部的溫度進(jìn)一步均勻化，同時完成預(yù)期的組織轉(zhuǎn)變。中碳低合金鋼工件的保溫時間按0.8 h/100 mm（鍛件厚度）計(jì)算7；該船用大

9、鍛件的有效截面直徑為階梯軸最大截面直徑，即280 mm，因此保溫時間（包括均溫時間）確定為4.5 h。 2.2.2 回火 回火溫度往往由鍛件最終硬度或最終屈服點(diǎn)要求決定。該船用大鍛件熱處理后的強(qiáng)度和硬度要求不高、而塑性和韌性要求較高（如表1所示），因此須適當(dāng)提高回火溫度，由文獻(xiàn)8可確定其最佳回火溫度為650oc。在生產(chǎn)中保溫時間一般按100 mm有限厚度保溫2 h計(jì)算，計(jì)算得出該大型鍛件的保溫時間約為8 h8。對于無高溫回火脆性的35crmo鋼而言，本次回火采用空冷進(jìn)行冷卻5。 2.2.3調(diào)質(zhì)熱處理工藝規(guī)范的制定 根據(jù)以上分析，制定出如圖4所示的某船用中間軸大鍛件鍛后熱處理工藝規(guī)范：分別在淬火

10、階段的650oc、 860oc保溫2 h和4.5 h；回火階段，在650oc保溫8 h，保溫階段結(jié)束后直接出爐空冷。 圖4 調(diào)質(zhì)熱處理工藝規(guī)范 3 有限元數(shù)值模擬及分析 為直觀地了解鍛件熱處理過程中的溫度、組織和應(yīng)力變化情況，在鍛件上選取如圖5所示的4個有代表性的點(diǎn)進(jìn)行分析。其中p1是鍛件法蘭部位表面的點(diǎn)、p2是鍛件法蘭部位心部的點(diǎn)、p3是鍛件軸身部位表面的點(diǎn)、p4是鍛件軸身部位心部的點(diǎn)。 圖5 代表點(diǎn)的選取 3.1 余熱正火 3.1.1 鍛后空冷 圖6所示為長軸類大鍛件鍛后空冷的溫度及組織變化情況。由圖可知，鍛造成形后經(jīng)空冷40min，鍛件心部溫度已經(jīng)低于880oc，此后再進(jìn)行正火處理可避免

11、鍛件在高溫下晶粒顯著長大；法蘭表面p1及軸身表面p3奧氏體轉(zhuǎn)變分別為20%和10%，心部p2和p4還未發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變，這是由于心部溫度仍在ac3以上。 （a）溫度變化 （b）奧氏體組織變化 圖6 鍛后空冷過程代表點(diǎn)溫度及組織變化 3.1.2 正火加熱 圖7所示為正火過程鍛件各代表點(diǎn)的溫度及組織變化曲線圖。由圖可見，加熱開始后，鍛件法蘭表面p1和軸身表面p3溫度不斷升高；鍛件法蘭心部p2和軸身心部p4溫度繼續(xù)下降并分別在10 min和5 min后開始升溫，在80 min后鍛件整體達(dá)到880oc后開始保溫。加熱過程中，法蘭心部p2和軸身心部p4幾乎沒有發(fā)生組織轉(zhuǎn)變；加熱開始時法蘭表面p1處溫度仍在

12、ac3以下，該處奧氏體轉(zhuǎn)變?nèi)栽谶M(jìn)行，并于5 min后開始轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體組織；軸身表面p3與法蘭表面p1的組織轉(zhuǎn)變趨勢類似，加熱30 min后鍛件整體奧氏體化。根據(jù)鍛件材料及截面大小制定出的常規(guī)正火工藝規(guī)范為：分別在650oc和860oc時保溫2 h和4.5 h，回火階段在650oc時保溫8 h9。由圖3可見，余熱正火工藝的加熱時間比常規(guī)正火工藝規(guī)范減少了58%。 （a）溫度變化 （b）奧氏體組織變化 圖7 加熱過程代表點(diǎn)溫度、應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變 3.1.3 正火冷卻 圖8所示為鍛件各代表點(diǎn)在空冷過程的溫度及組織變化情況。由圖可知，高溫階段鍛件傳熱系數(shù)較大，熱量傳遞比較快，使得冷卻速度也較快；鍛件法蘭

13、圓角部分和軸端部圓角部分溫度最低，溫度在60oc左右，越往鍛件軸向中部，溫度分布越均勻；鍛件法蘭周圍溫度分布不均，是正火冷卻時最易出現(xiàn)變形的部位。由于空冷冷速未達(dá)到生成馬氏體的極限速度，鍛件只發(fā)生珠光體和鐵素體相變。鍛件于冷卻60 min時完全轉(zhuǎn)化為珠光體和鐵素體。 （a）溫度變化 (b) 冷卻終了鍛件溫度分布 (c) 珠光體和鐵素體組織變化 圖8 正火冷卻過程溫度及組織變化情況 3.2 淬火 3.2.1 加熱階段 圖9所示為淬火加熱過程中鍛件各代表點(diǎn)溫度及組織變化曲線。由圖可知，在加熱過程的第一、二次升溫階段，鍛件表面與心部間共出現(xiàn)兩次最大溫差（分別為180oc和120oc）。由此可見，階梯

14、加熱由于存在中間保溫過程，能通過降低鍛件表面與心部溫差，從而有效避免鍛件開裂。由于鍛件表面比心部升溫快，表面的奧氏體形成速率也比心部快。鍛件表面及心部分別在加熱時間約為295min 和330min時開始形成奧氏體組織。 （a）溫度變化 (b)奧氏體組織變化 圖9 淬火加熱過程代表點(diǎn)溫度及組織變化曲線 3.2.2 淬冷 圖10所示為淬火冷卻過程中鍛件各代表點(diǎn)的溫度及應(yīng)力變化情況。由圖可見，大鍛件進(jìn)行淬冷時其表面心部的溫度相差很大，這是由于鍛件直徑較大，心部熱傳遞較慢：當(dāng)表面溫度達(dá)到81.2oc時，心部溫度還在860oc。鍛件淬冷后，表面已經(jīng)接近30oc、心部仍有180oc。此外，淬冷過程中鍛件表

15、面和心部的奧氏體轉(zhuǎn)變釋放相變潛熱也造成鍛件心冷卻速度減慢。鍛件在淬火過程中，等效應(yīng)力始終小于屈服極限，因此鍛件在淬火過程中不會出現(xiàn)塑性變形現(xiàn)象。 (a)代表點(diǎn)的溫度變化 (b)最大等效應(yīng)力與屈服極限 圖10 淬火冷卻過程溫度及應(yīng)力變化情況 3.3 回火 3.3.1 回火加熱 圖11所示為回火過程鍛件上各代表點(diǎn)的溫度、應(yīng)力變化曲線。由圖可知，淬火后即刻對鍛件進(jìn)行回火處理時其心部還殘留余溫，因而加熱開始后鍛件表面溫度不斷升高而心部溫度先下降、后升高；當(dāng)加熱390 min時鍛件整體達(dá)到回火溫度（560oc）進(jìn)行保溫。加熱過程中，法蘭表面p1、鍛件軸身表面p3、法蘭心部p2和軸身心部p4溫度將依次達(dá)到200oc以上開始由馬氏體組織相變生成回火