《大型鍛鋼件的淬火和回火》國家標(biāo)準(zhǔn)編制介紹

張智峰

(上海電氣上重鑄鍛有限公司大型鑄鍛件研究所，上海200245)

標(biāo) 準(zhǔn) 化

《大型鍛鋼件的淬火和回火》國家標(biāo)準(zhǔn)編制介紹

張智峰

(上海電氣上重鑄鍛有限公司大型鑄鍛件研究所，上海200245)

介紹了《大型鍛鋼件的淬火與回火》國家標(biāo)準(zhǔn)的立項(xiàng)背景、編制過程、編制原則和主要技術(shù)內(nèi)容等。

大型鍛鋼件；國家標(biāo)準(zhǔn)；編制

1 立項(xiàng)背景

大型鍛鋼件是電力、造船、石油化工、冶金和軍工等國家重大技術(shù)裝備和重大工程建設(shè)必需的關(guān)鍵基礎(chǔ)部件，在國民經(jīng)濟(jì)、國防裝備發(fā)展中發(fā)揮著極其重要的關(guān)鍵作用。提高大型鍛鋼件產(chǎn)品的品質(zhì)是保證我國重型裝備安全運(yùn)行的重中之重，關(guān)系到國家安全和國民經(jīng)濟(jì)命脈。

熱處理是保證大型鍛鋼件獲得所需性能的關(guān)鍵技術(shù)，涉及淬火、正火、退火、回火、固溶處理等多種工藝。國內(nèi)已有一些關(guān)于鋼的熱處理工藝標(biāo)準(zhǔn)，主要包括GB/T 16923—1997《鋼件的正火和退火》，GB/T 16924—1997《鋼件的淬火和回火》等。這些標(biāo)準(zhǔn)適用于鋼件，當(dāng)然也包括大型鍛鋼件，但在實(shí)際工程實(shí)踐中，這些標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于大型鍛鋼件時(shí)還存在明顯的問題：

(1)從工件的分類來看，GB/T 16924—1997規(guī)定小件為5 kg以下，中件為5 kg～30 kg，30 kg以上的為大件，而大型鍛鋼件一般重?cái)?shù)噸甚至百噸級，可見GB/T 16924—1997主要適用于按公斤計(jì)量的小型鋼件，未考慮大型鍛鋼件的特點(diǎn)。

(2)大型鍛鋼件具有尺寸大和重量大的特點(diǎn)，“因大而生”帶來了一系列問題，如顯著的成分不均勻性，多種多樣的組織缺陷，巨大的熱容量和熱應(yīng)力等，使大鍛件的熱處理過程往往十分復(fù)雜、費(fèi)時(shí)和昂貴，必須小心翼翼的進(jìn)行[1]。因此，大型鍛鋼件熱處理對加熱設(shè)備、冷卻設(shè)備以及升溫保溫工藝曲線等方面均有特殊的要求，已有標(biāo)準(zhǔn)在此方面有相應(yīng)規(guī)定。

目前，國內(nèi)采用和引進(jìn)的國外關(guān)于大型鍛鋼件的標(biāo)準(zhǔn)主要是產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但沒有保證產(chǎn)品品質(zhì)的制造方法(包括熱處理工藝)標(biāo)準(zhǔn)。長期以來，國內(nèi)在大鍛件熱處理國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方面屬于空白領(lǐng)域，只有一些重工企業(yè)為各自的產(chǎn)品制定了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或工藝規(guī)范，不具備標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一性和指導(dǎo)性。為推動大型鍛鋼件制造業(yè)的發(fā)展，我公司聯(lián)合其他相關(guān)單位承擔(dān)了大型鍛鋼件熱處理系列國家標(biāo)準(zhǔn)起草工作。

大型鍛鋼件的熱處理工藝方式主要為淬火、正火、退火、回火、固溶處理等，而表面淬火、感應(yīng)淬火、等溫淬火、滲碳和滲氮等方法較少應(yīng)用?？紤]到標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的廣泛性，首先立項(xiàng)編制《大型鍛鋼件的淬火和回火》和《大型鍛鋼件的正火和退火》。本文介紹了《大型鍛鋼件的淬火和回火》國家標(biāo)準(zhǔn)(后文簡稱本標(biāo)準(zhǔn))的編制情況。

2 編制過程

本標(biāo)準(zhǔn)編制任務(wù)來源于國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會2015年7月31日下達(dá)的國標(biāo)委綜合[2015]52號第二批國家標(biāo)準(zhǔn)制修訂計(jì)劃，計(jì)劃編號：20151567-T-469，項(xiàng)目名稱“大型鍛鋼件的淬火與回火”。本標(biāo)準(zhǔn)編制任務(wù)于2013年提出，經(jīng)2013年12月下一年度計(jì)劃工作會及2014年8月全國熱處理標(biāo)委會年會討論通過，申報(bào)國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)。2016年1月，對本標(biāo)準(zhǔn)草案進(jìn)行討論；2016年5月，對討論稿進(jìn)行討論、評審；2016年10月，標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿通過評審，形成最終報(bào)批稿。

3 標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)與編制原則

3.1 標(biāo)準(zhǔn)的組成部分與編寫結(jié)構(gòu)

參考目前熱處理方法標(biāo)準(zhǔn)的編排結(jié)構(gòu)，本標(biāo)準(zhǔn)的正文部分至少包括：范圍、規(guī)范性引用文件、術(shù)語和定義、熱處理設(shè)備、熱處理工藝、熱處理質(zhì)量與檢測、校形、安全衛(wèi)生要求、能源消耗要求、產(chǎn)品報(bào)告單。為進(jìn)一步提高標(biāo)準(zhǔn)的工藝指導(dǎo)性，本標(biāo)準(zhǔn)提供了常用鋼種的相變點(diǎn)、淬火溫度和冷卻方式、熱處理有效厚度計(jì)算、常用鋼種的淬火回火曲線、水冷判據(jù)、大型鍛鋼件心部終冷溫度選取原則作為資料性附錄。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)的編制原則

(1)為滿足國家標(biāo)準(zhǔn)格式的規(guī)范化要求，標(biāo)準(zhǔn)按GB/T 1.1—2009《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和編寫》給出的規(guī)則起草。

(2)考慮到標(biāo)準(zhǔn)的適用性，標(biāo)準(zhǔn)編制時(shí)首先考慮采用最新的國家標(biāo)準(zhǔn)，其次考慮采用機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

(3)本標(biāo)準(zhǔn)是在GB/T 16924—1997《鋼件的淬火與回火》的基礎(chǔ)上，根據(jù)大型鍛鋼件淬火與回火過程中的特有特點(diǎn)編制而成。標(biāo)準(zhǔn)中的主要技術(shù)內(nèi)容和指標(biāo)部分參考了《大型鍛件材料及熱處理》[1]、《熱處理工藝學(xué)》[2]等書籍中關(guān)于大型鍛件熱處理中的內(nèi)容，部分參考工廠實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)制定。

4 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容說明

4.1 待處理工件

4.1.1 工件資料

為謹(jǐn)慎的編制和實(shí)施大型鍛鋼件的熱處理工藝，負(fù)責(zé)實(shí)施熱處理的車間需掌握必要的資料，至少包括工件的熔煉爐號或批號、工件質(zhì)量、鋼種牌號(必要時(shí)提供詳細(xì)的實(shí)際成分)、工件外形及尺寸簡圖、工件前序簡況(如成形方式、加工方式、是否經(jīng)熱處理等)，如有相關(guān)檢測，需提供檢測報(bào)告，如無損檢測報(bào)告、金相報(bào)告等。

4.1.2 工件外觀

大型鍛鋼件由于尺寸大，熱處理時(shí)內(nèi)外位置不可避免的存在較大的溫差和熱應(yīng)力，如存在應(yīng)力集中的區(qū)域，鍛件容易出現(xiàn)較大的變形甚至開裂。故要求實(shí)施熱處理前應(yīng)對工件進(jìn)行仔細(xì)的檢查，表面應(yīng)無裂紋、劃痕、黑疤、銹蝕等缺陷，工件截面突變處應(yīng)光滑過渡，避免出現(xiàn)尖角或直角，棱角處應(yīng)做圓角或倒棱處理。

4.2 熱處理設(shè)備

為滿足不同種類的熱處理需求，熱處理設(shè)備設(shè)計(jì)制造企業(yè)開發(fā)了多種熱處理設(shè)備。但對于大型鍛鋼件而言，其使用的熱處理設(shè)備種類相對較少，加熱設(shè)備主要有燃?xì)饧訜釥t、電加熱爐，冷卻設(shè)備不外乎水槽、油槽、噴風(fēng)(霧)裝置等。但為滿足大鍛件的工藝特性，這些設(shè)備又富有鮮明特色。

4.2.1 加熱爐

加熱爐的要求如下：

(1)大型鍛鋼件一般有較多的熱處理余量，常規(guī)不考慮表面氧化脫碳的影響，故加熱介質(zhì)可為普通空氣，只有少數(shù)特殊場合需要選用氣氛保護(hù)。

(2)大型鍛鋼件由于尺寸巨大，加熱時(shí)內(nèi)外溫升不同步帶來的溫差和熱應(yīng)力很大。為能有效的將加熱時(shí)工件的熱應(yīng)力控制在一個(gè)不至于危害產(chǎn)品質(zhì)量的范圍，必須要求加熱爐具備控速升溫的功能。

(3)考慮到大型鍛鋼件的重要性，有必要保證加熱設(shè)備的穩(wěn)定性。淬火加熱爐有效加熱區(qū)應(yīng)每6個(gè)月檢測1次，檢測方法應(yīng)符合GB/T 9452《熱處理爐有效加熱區(qū)測定方法》或GB/T 30824《燃?xì)鉄崽幚頎t溫度均勻性測試方法》要求。連續(xù)3個(gè)周期檢定合格后，檢測周期可延長至1年。

(4)為保證大型鍛鋼件各位置性能的均勻性，淬火加熱爐有效加熱區(qū)的偏差應(yīng)不超過±10℃，其余需滿足GB/T 16924《鋼件的淬火和回火》及GB/T 32541《熱處理質(zhì)量控制體系》規(guī)定的要求。

4.2.2 淬火冷卻設(shè)備

冷卻設(shè)備的要求如下：

(1)淬火槽的容積應(yīng)能提供足以吸收工件熱量的淬火劑，保證淬火過程中，淬火用水的溫度一般不超過40℃，淬火油的溫度一般在20～80℃之間。淬火槽的尺寸應(yīng)足夠大，以保證鍛件可以全部浸入。

(2)大型鍛鋼件由于尺寸巨大，淬火時(shí)往往很難獲得快速冷卻效果。為提高可獲的冷卻速率，淬火槽中應(yīng)設(shè)置冷卻循環(huán)攪拌裝置，鍛件淬火時(shí)應(yīng)設(shè)置可以在槽內(nèi)上下或左右移動的工裝或吊具。

(3)雖然大型鍛鋼件質(zhì)量巨大造成運(yùn)輸不便，但為保證淬火效果，仍需追求較快淬火轉(zhuǎn)移速度，一般要求工件從加熱爐轉(zhuǎn)移至淬火槽的時(shí)間不超過8 min。大型鍛鋼件的淬火操作一般由淬火行車(起重機(jī))實(shí)施，其應(yīng)滿足JB/T 7688.6中的要求。

4.3 熱處理工藝

4.3.1 淬火加熱

淬火加熱曲線是大型鍛鋼件的熱處理工藝的核心部分，要編制出加熱曲線，最重要的是確定升溫工藝參數(shù)和保溫工藝參數(shù)。

大型鍛鋼件由于尺寸巨大必然存在內(nèi)外溫升不同步的情況，從而帶來較大的熱應(yīng)力。為將熱應(yīng)力控制在不危害工件質(zhì)量的程度，一般采用階梯升溫方式加熱，即根據(jù)鍛件鋼種和尺寸選擇合適的裝爐溫度并適當(dāng)保溫一段時(shí)間，再以較慢速率升至彈塑性轉(zhuǎn)變溫度(一般在600～700℃之間)，在該溫度下等溫一段時(shí)間使大型鍛鋼件內(nèi)外溫度均勻，然后以較快的速率升溫至淬火溫度。

大型鍛鋼件的淬火保溫溫度應(yīng)比小件稍高，一般應(yīng)取規(guī)定溫度的上限。加熱速率越高，奧氏體化溫度的選擇也相應(yīng)偏高。

4.3.2 冷卻

大型鍛件的淬火冷卻一般采取風(fēng)冷、噴霧、油冷、水冷、水-油、水-空雙介質(zhì)、水溶性淬火液冷卻等冷卻方式。選擇適當(dāng)?shù)拇慊鹄鋮s方式、確定冷卻時(shí)間是制定大型鍛鋼件淬火冷卻工藝參數(shù)的核心。

選擇冷卻方式的原則是：為了在降低冷卻過程中工件畸變、開裂和獲得足夠性能之間獲得平衡，應(yīng)根據(jù)材料性能要求和材料的過冷奧氏體連續(xù)冷卻曲線(CCT曲線)，在滿足性能要求的基礎(chǔ)上，盡量選擇冷卻過程中熱應(yīng)力較小的冷卻方式。如想選擇激烈的水淬，可根據(jù)碳當(dāng)量計(jì)算結(jié)果的淬火水冷判據(jù)進(jìn)行可行性分析。

大型鍛鋼件的冷卻時(shí)間的確定原則是：大型鍛鋼件心部的終冷溫度不可過高，以保證心部獲得性能所需的組織。同時(shí)心部溫度也不可過低，以防鍛件在低溫階段受到較大應(yīng)力，增加鍛件開裂或淬火冷卻畸變風(fēng)險(xiǎn)性。

在工程實(shí)踐中，對于預(yù)估實(shí)施很大的大型鍛鋼件，可在實(shí)際生產(chǎn)前采用工藝性試驗(yàn)或計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行驗(yàn)證。

4.3.3 淬火回火間隔時(shí)間

工件淬火冷卻結(jié)束后應(yīng)盡快進(jìn)爐回火，以防應(yīng)力過大導(dǎo)致開裂。對于高合金鋼等有較強(qiáng)淬裂性的鍛件，淬火回火間隔不應(yīng)超過2 h。

4.3.4 回火

為滿足大型鍛鋼件不同的性能等級要求，淬火處理后需進(jìn)行回火工序。制定回火工藝時(shí)要確定裝爐溫度、升溫速率、保溫溫度、保溫時(shí)間和冷卻速率等參數(shù)。

裝爐溫度根據(jù)鍛件材料的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線(TTT曲線)確定，一般為與貝氏體終了溫度和馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度相接近的溫度。在此低溫下的等溫時(shí)間應(yīng)能使鍛件心部組織得到充分轉(zhuǎn)變。

回火后的冷卻速率應(yīng)予以控制，避免大型鍛鋼件產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力和瞬時(shí)應(yīng)力。對于有殘余應(yīng)力要求的鍛件，應(yīng)盡量降低鍛件在400℃以上的冷卻速率。對于易產(chǎn)生回火脆性的鍛件，可根據(jù)鍛件具體形狀尺寸，選擇相應(yīng)的冷卻方法。

4.4 工藝過程控制

為謹(jǐn)慎的實(shí)施大型鍛鋼件的熱處理，要求經(jīng)培訓(xùn)合格人員按規(guī)定的操作規(guī)程實(shí)施熱處理。具體的操作要求如下：

4.4.1 爐前清理檢查

工件在熱處理前需對表面進(jìn)行檢查清理。工件表面不應(yīng)存在裂紋、黑疤、污跡等，截面處不應(yīng)存在直棱角，如有棱角需打磨或作光滑過渡處理。表面裂紋或黑疤在熱處理前需打磨干凈，表面污跡在進(jìn)爐前需清理干凈。

4.4.2 裝爐

工件應(yīng)放置在加熱設(shè)備的有效加熱區(qū)內(nèi)。工件的擺放應(yīng)能使?fàn)t氣在其內(nèi)外表面流動暢通，加熱均勻。針對工件形狀特點(diǎn)和性能要求，設(shè)置合理的裝爐方式和裝爐設(shè)備，控制鍛件的熱處理畸變。細(xì)長軸件宜以垂直狀態(tài)在熱處理爐中加熱和冷卻。使用燃?xì)鉅t加熱時(shí)，需避免火焰直接噴射到工件上。

4.4.3 起吊

工件的起吊應(yīng)保證操作安全性，減少對工件的冷卻效果的影響。工件生產(chǎn)前，需進(jìn)行試吊以確保操作時(shí)的安全性。

4.4.4 轉(zhuǎn)移時(shí)間

應(yīng)對工件淬火冷卻時(shí)從熱處理爐內(nèi)轉(zhuǎn)移到淬火槽的時(shí)間進(jìn)行規(guī)定，以保證鍛件淬火質(zhì)量。工件進(jìn)行液態(tài)淬火時(shí)，宜盡快全部浸入淬火槽。

4.4.5 記錄

工件生產(chǎn)時(shí)所用生產(chǎn)設(shè)備、溫度記錄、工件放置位置、起吊方式等均須做好詳細(xì)記錄。所有記錄應(yīng)由相關(guān)操作人員在操作結(jié)束后簽字確認(rèn)。記錄應(yīng)留存以保證鍛件質(zhì)量問題的可追溯性。

4.5 熱處理質(zhì)量與檢驗(yàn)

熱處理決定大型鍛鋼件的力學(xué)性能和金相組織，故熱處理后的質(zhì)量與檢測最重要的就是按相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)和材料規(guī)范取樣進(jìn)行力學(xué)性能和金相組織檢測。其次是檢查可能出現(xiàn)的熱處理質(zhì)量問題，主要是通過尺寸檢測核實(shí)熱處理畸變情況，通過目視檢測或滲透、磁粉檢測等手段檢查鍛件是否存在熱處理裂紋，考慮大型鍛鋼件內(nèi)部缺陷可能在巨大的熱應(yīng)力作用下擴(kuò)展，應(yīng)采用超聲檢測對熱處理后的工件內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢測。

4.6 校形

大型鍛鋼件尤其是細(xì)長軸件、薄壁鍛件等熱態(tài)剛性往往較差，在加熱時(shí)容易因?yàn)樽灾匕l(fā)生較大變形，而組織轉(zhuǎn)變不同時(shí)帶來的組織應(yīng)力以及內(nèi)外溫度變化不同時(shí)帶來的熱應(yīng)力均進(jìn)一步加劇工件的變形。如發(fā)現(xiàn)大型鍛鋼件出現(xiàn)了影響最終交貨尺寸的較大變形，可采取校形以恢復(fù)尺寸。

在淬火結(jié)束后、回火前進(jìn)行校形較容易獲得理想的效果。為減小校形抗力，需將工件加熱至適當(dāng)溫度，校形溫度應(yīng)低于回火溫度。如工件在淬火與回火后需校形，校形過程應(yīng)該在比最終回火溫度至少低55℃溫度下進(jìn)行校形。校形結(jié)束后，應(yīng)在比最終回火溫度低30～55℃的溫度下進(jìn)行去應(yīng)力處理。

5 結(jié)束語

本標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)了大型鍛鋼件生產(chǎn)企業(yè)多年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，貼近大型鍛鋼件的生產(chǎn)實(shí)際，較好的覆蓋了大型鍛鋼件的主要生產(chǎn)和檢驗(yàn)過程。本標(biāo)準(zhǔn)的編制可以為企業(yè)提供指導(dǎo)性依據(jù)，有利于推動大型鍛鋼件生產(chǎn)企業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量的控制與提升，為重型裝備行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級提供技術(shù)支持。當(dāng)然，由于首次編制，本標(biāo)準(zhǔn)難免存在一些不足之處，在后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行過程中，編制組將與國內(nèi)外同行繼續(xù)交流和探討，使之不斷完善。

[1] 康大韜，葉國斌. 大型鍛件材料及熱處理[M]. 上海：龍門書局.

[2] 潘健生，胡明娟. 熱處理工藝學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2009.

編輯 杜青泉

Compilation Introduction of National Standard

Zhang Zhifeng

It introduces the background of project proposals of , the compilation process, the principles and the main technical contents, etc..

heavy forging steel, national standard, compilation

2017—03—10

張智峰(1981—)，男，高級工程師，工學(xué)碩士，主要從事大型鑄鍛件熱處理工藝研究。

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