余熱利用的意義

    鍛造行業(yè)是能源消耗大戶，而鍛件熱處理又是鍛件生產(chǎn)中能源消耗大戶，約占整個鍛件生產(chǎn)總能耗的30%～35%。我國每噸模鍛件的能耗約為1.0t標煤，與國外工業(yè)發(fā)達國家相比，存在很大差距，例如日本每噸模鍛件的能耗約為0.515t標煤。鍛件能耗約占鍛件成本的8%～10%，降低能耗不僅可以降低鍛件生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟效益，而且能源問題又是關(guān)系到一個國家能否可持續(xù)發(fā)展的重要問題，甚至是關(guān)系到人類生存的全球性重大問題。所以充分利用鍛造余熱進行熱處理，在節(jié)能降耗、提升效率等方面有著顯而易見的優(yōu)勢，既節(jié)約能源、縮短工藝流程，又保護環(huán)境。

熱模鍛余熱熱處理

     鍛造后利用鍛件自身熱量直接進行熱處理，即鍛件的余熱熱處理省略了鍛造后熱處理前重新加熱鍛件的工序，余熱熱處理一般有以下3種方式。

1. 鍛后進行余熱均溫熱處理。鍛件成形后直接送入熱處理爐，仍按常規(guī)的熱處理工藝進行，均溫后鍛件不同部位溫度一致，可縮短保溫時間，這種方法稱為余熱均溫熱處理。對于形狀復雜，特別是截面變化大的鍛件采用該工藝可以確保鍛件質(zhì)量穩(wěn)定。

    

2. 鍛后直接余熱熱處理。鍛件成形后利用鍛造余熱直接進行熱處理，把鍛造和熱處理緊密結(jié)合在一起，節(jié)省了普通熱處理需要重新加熱造成的大量能耗浪費。

    

3. 鍛后利用部分余熱進行熱處理。鍛件成形后將鍛件冷卻到600～650℃左右，然后將鍛件再加熱到所需要的溫度進行熱處理。此方法可以細化到晶粒，又節(jié)約了把鍛件從室溫加熱到600～650℃的能耗，一般適用于對晶粒度要求高的鍛件。

余熱熱處理常用工藝方法

鍛造余熱淬火

      鍛造余熱淬火是鍛件成形后，當其溫度高于Ar3或Ar3～Ar1之間的某一溫度時，淬入適當?shù)拇慊鸾橘|(zhì)中，獲得馬氏體或貝氏體組織的工藝方法。

      鍛件經(jīng)鍛造余熱淬火和回火處理后，不僅可以獲得較好的綜合機械性能，而且可以節(jié)省能源，簡化工藝流程、縮短生產(chǎn)周期，減少人員和節(jié)省淬火加熱爐的投資費用。

      鍛件經(jīng)鍛造余熱淬火并高溫回火后，其強度與硬度一般均高于普通調(diào)質(zhì)，而塑性與韌性比普通調(diào)質(zhì)稍低(兩者回火溫度相同時)。若鍛造余熱淬火后，采用較高回火溫度(一般比普通調(diào)質(zhì)的回火溫度高出40～80℃)后，其塑性和韌性與普通淬火相當或稍高。鍛件經(jīng)鍛造余熱淬火后，在保持塑性和韌性的前提下明顯地提高了強度和硬度，另外由于其晶粒較普通淬火粗大，可改善材料的切削加工性能。

鍛造余熱正火(退火)

      鍛造余熱正火(退火)是鍛件成形后，當溫度高于Ar3(對亞共析鋼)時，進入正火爐、冷卻箱或退火爐內(nèi)進行正火或控制冷卻，得到正火組織。

     由于鍛造加熱溫度高，采用此方法處理后鍛件的晶粒較粗，一般用于預(yù)備熱處理，不適用對于晶粒度有較高要求的鍛件。同時，處理后得到的組織為珠光體+鐵素體平衡組織，粗晶粒在后續(xù)熱處理中不存在組織遺傳，晶粒可重新細化。

鍛造余熱等溫正火

        鍛造余熱等溫正火是鍛件成形后，當溫度高于Ar3(對亞共析鋼)時急速冷卻，冷卻到等溫溫度后保溫一段時間后空冷至室溫。

        鍛件成形后溫度一般在900～1000℃，急冷速度一般控制在30～42℃/min，等溫溫度一般為550～680℃(具體需根據(jù)不同材質(zhì)確定)。急冷是該工藝的關(guān)鍵工序，可通過調(diào)節(jié)冷卻風量、風速、風溫和風向，保證鍛件冷卻后溫度均勻。等溫溫度根據(jù)材料種類和要求的硬度確定，一般選在珠光體轉(zhuǎn)變曲線的鼻部以縮短等溫保溫時間。鍛造余熱等溫正火多用于滲碳齒輪鋼，例如SCM420H、SCM822H、SAE8620H和20CrMnTiH等。

余熱熱處理工藝的控制要點

余熱淬火

⑴ 穩(wěn)定可控的加熱系統(tǒng)。坯料的加熱系統(tǒng)為中頻感應(yīng)加熱、紅外測溫儀和三通道溫度分選系統(tǒng)，可方便的控制加熱溫度和分選加熱溫度不合格的坯料。

⑵ 確定合適的淬火溫度，并能有效加以控制。合適的鍛造余熱淬火溫度需根據(jù)試驗確定，實際操作中可通過控制鍛造加熱溫度、鍛后停留時間來實現(xiàn)，鍛后停留時間推薦碳鋼不大于60s、合金鋼在20～60s之間。

配置紅外測溫儀和溫度分選系統(tǒng)，將低于淬火溫度的鍛件分選出去;當鍛造加熱溫度穩(wěn)定、鍛造過程也穩(wěn)定時可配置工序時間測量和報警系統(tǒng)，通過控制工序時間達到控制淬火溫度的目的。

⑶ 良好的淬火系統(tǒng)。在保證淬火效果的前提下選擇冷卻能力較慢的淬火劑，以防止嚴重淬火變形和開裂。由于鍛造余熱淬火溫度比普通淬火溫度高，因此鍛件淬透性好，故碳鋼和合金鋼一般選用油或PAG淬火劑。

淬火槽應(yīng)有足夠的容積，冷卻時間可控，另外還要配置淬火介質(zhì)循環(huán)、冷卻系統(tǒng)和加熱裝置，淬火介質(zhì)溫度自動控制，還應(yīng)配置抽風裝置。加強對淬火介質(zhì)的維護，定期檢測淬火介質(zhì)的冷卻性能，清理液槽及循環(huán)系統(tǒng)中的氧化皮等雜質(zhì)，保持淬火介質(zhì)的清潔。

⑷ 淬火后的回火和回火爐的配置位置。鍛件淬火后其內(nèi)部存在較大應(yīng)力，導致放置過程中產(chǎn)生較大變形甚至開裂。為防止淬火后零件變形和開裂，淬火后鍛件應(yīng)及時回火。鍛件淬火后可擱置時間與鍛件材料、形狀和環(huán)境溫度有關(guān)，需根據(jù)試驗確定。為節(jié)約能源和提高回火爐的利用率，降低保溫能耗，采用余熱淬火的鍛件一般在熱處理車間集中回火。

余熱正火(退火)

⑴適當控制鍛件進爐前的溫度。當零件溫度較高時需要對鍛件進行吹風冷卻，使零件溫度降低到所需要的正火溫度，同時熱處理爐功率需要有一定的富余，開始生產(chǎn)前和少量鍛件溫度低時進行加熱。

⑵確定合理保溫時間。保溫時間過長會會導致晶粒粗大，保溫時間過短會導致組織轉(zhuǎn)變不充分。可根據(jù)鍛件材料、形狀和尺寸通過試驗確定。

余熱等溫正火

⑴ 鍛造后鍛件溫度控制。鍛件成形后的溫度必須在Ar3(對亞共析鋼)以上，鍛后零件溫度穩(wěn)定時可采用直接急冷的方式;鍛后零件溫度波動較大或鍛件截面變化大時，必須增加均溫過程，急冷前使零件溫度均勻一致，否則會造成急冷后鍛件或不同截面溫度相差大，產(chǎn)生異常組織(貝氏體或馬氏體)。

⑵ 急冷冷卻速度控制。急冷工序中要求鍛件快速冷卻，同時冷卻后同一鍛件和同批鍛件溫度均勻一致(或相近)。同時需要對急冷速度加以控制，過快的急冷速度會在鍛件組織中產(chǎn)生魏氏組織。一般急冷速度控制在30～42℃/min。

⑶ 急冷后溫度控制。急冷后必須保證鍛件溫度在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)，不能低于貝氏體轉(zhuǎn)變開始溫度(Bs)，否則組織中會出現(xiàn)貝氏體(或粒狀貝氏體)組織;如急冷后溫度過高會導致先共析鐵素體量增多，組織轉(zhuǎn)變后珠光體片層間距大，造成零件硬度低。鍛件急冷后溫度一般控制在材料Bs溫度以上在80～100℃。

⑷ 等溫溫度的選擇。等溫溫度的高低直接影響到等溫正火后鍛件的硬度，等溫溫度高則硬度低，等溫溫度低則硬度高。等溫溫度一般為鍛件材料Bs溫度以上50～80℃，具體溫度需根據(jù)鍛件的材料、形狀經(jīng)試驗進行確定。

⑸ 等溫保溫時間的確定。珠光體轉(zhuǎn)變發(fā)生在等溫過程中，因此必須有足夠的保溫時間，如等溫時間過短會造成過冷奧氏體沒有全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，在隨后的冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w或馬氏體，造成等溫處理后組織不合格和硬度高。等溫時間可根據(jù)材料的等溫轉(zhuǎn)變曲線進行初步確定，并根據(jù)試驗情況進行調(diào)整。

應(yīng)用實例

轎車變速箱齒輪部分余熱等溫正火

轎車變速箱齒輪材料為20MnCr5JV和27MnCr5JV，鍛件要求進行等溫正火處理。等溫正火后組織為鐵素體+珠光體，不得有粒狀貝氏體，晶粒度為6～9級。為了降低能源消耗，同時滿足對晶粒度的要求，利用部分鍛造余熱進行等溫正火處理。

經(jīng)過試驗，確定部分余熱等溫正火工藝為，鍛件成形后通過傳送帶送至加熱爐，在此過程中鍛件溫度降低至550～600℃，鍛件在加熱爐中重新加熱至900～920℃，保溫后進入速冷室進行速冷;速冷后鍛件溫度不低于600℃，然后進入等溫爐進行等溫，鍛件等溫溫度為580～600℃，等溫時間1h，然后出爐空冷。

采用該工藝熱處理后鍛件的金相組織為鐵素體+珠光體，未出現(xiàn)粒狀貝氏體組織。硬度適當，切削性能良好，后續(xù)熱處理前后齒輪的變形符合技術(shù)要求。部分鍛造余熱等溫正火與常規(guī)等溫正火相比，省掉了部分高溫加熱過程，節(jié)電約150kWh/t。

微型車曲軸利用余熱淬火

某微型車曲軸鍛件材料為40CrH(GB/T5216-2004)，該鍛件熱處理技術(shù)要求，鍛件經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，金相組織在1～4級之間，硬度為241～285HBW。普通調(diào)質(zhì)工藝為鍛件成形后空冷至室溫，然后加熱至850℃，保溫一定時間后在濃度為10%的PAG淬火劑中淬火，然后進行回火，在連續(xù)式調(diào)質(zhì)線進行調(diào)質(zhì)處理。

鍛造余熱淬火工藝為鍛件成形后在淬火油中淬火，淬火后的鍛件在連續(xù)式回火爐中集中進行回火。經(jīng)檢驗，采用鍛造余熱淬火工藝生產(chǎn)，各種性能指標滿足客戶要求。采用余熱淬火工藝生產(chǎn)，省去了普通調(diào)質(zhì)的淬火加熱工序，可節(jié)約淬火加熱用電259kWh/t，同時簡化了工藝，縮短了生產(chǎn)周期。

微型車曲軸利用余熱退火

某微型車曲軸鍛件材料為40CrH，熱處理要求為正火，硬度要求為163～269HBW。曲軸鍛件最終熱處理為調(diào)質(zhì)處理，正火的目的是降低鍛件硬度，以便于后續(xù)的粗加工，同時均勻組織，為隨后的調(diào)質(zhì)處理做好組織準備。

原工藝為加熱至860℃進行正火;鍛造余熱退火是鍛后將曲軸裝入保溫箱內(nèi)，保溫一段時間后取出。經(jīng)檢驗采用鍛造余熱退火可得到珠光體+鐵素體組織，組織中無貝氏體等非正常組織;同時組織中無嚴重的魏氏組織。硬度與正火相近，對曲軸的粗加工無影響。

受不同部位變形程度不一致的影響，變形量較小部位晶粒較粗，經(jīng)過余熱退火處理的曲軸晶粒度較正火處理的粗，這將有利于隨后的切削加工。同時，由于采用鍛造余熱退火處理得到的是珠光體+鐵素體的平衡組織，不具有遺傳性，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后晶粒可以重新細化。

采用鍛造余熱退火處理的曲軸經(jīng)客戶進行粗加工和調(diào)質(zhì)處理，其切削性能、調(diào)質(zhì)處理后的金相組織和機械性能與原來采用正火工藝時相同，裝機后無不良反映。曲軸鍛造余熱退火工藝全部利用鍛造余熱，不需對鍛件進行二次加熱，與原來采用的正火工藝相比可節(jié)約大量電能，同時減少了熱處理爐開動時間，降低了人工費用和設(shè)備維修費用。

結(jié)束語

生產(chǎn)實踐證明，利用鍛造余熱進行熱處理是可行的，通過合理控制鍛造后冷卻參數(shù)，鍛件組織和性能達到或超過普通熱處理水平。同時，利用鍛造余熱熱處理時晶粒粗大的特點，可改善鍛件的切削加工性能。利用鍛造余熱進行熱處理，節(jié)約了熱處理加熱過程所消耗的大量能源，降低了生產(chǎn)成本，經(jīng)濟效益顯著，有廣泛的應(yīng)用前景。