CN112538561B - 一种大型锻件的周期性去氢退火方法 - Google Patents

一种大型锻件的周期性去氢退火方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于锻后热处理领域，具体涉及一种大型锻件的周期性去氢退火方法。该方法包括：将正火处理后的锻件升温至650‑700℃，均温后进行周期性去氢退火，所述周期性去氢退火包括循环进行如下处理：在650‑700℃保温、冷却至550‑580℃、在550‑580℃保温以及升温至650‑700℃；所述周期性去氢退火的总时间H满足：H＝D/10×η。该方法是采用在氢扩散温度范围内的周期性等温，利用周期性的温度起伏使氢的溶解度随温度变化，促进氢的脱溶、聚积和扩散，增大氢扩散压力，加速扩氢过程，能在较短的时间内将氢的含量降到合理水平，或在相同的时间内将氢含量降到更低的水平，从而从根本上防止了白点的产生。

Description

一种大型锻件的周期性去氢退火方法
技术领域
本发明属于锻件的锻后热处理领域，具体涉及一种大型锻件的周期性去氢退火方法。
背景技术
氢气在炉气中的分压力很低，大气中氢的分压力为0.053Pa。因此，钢中的氢主要是由炉气中的水蒸气的分压力来决定的。氢进入钢液的主要途径是：通过废钢表面的铁锈(zFeO·rFe3O4·2H2O)；铁合金中的氢气；增碳剂、脱氧剂、覆盖剂、保温剂、造渣剂(Ca(OH)2)；未烤干的钢包、中间包、中注管、汤道；钢锭模的喷涂料，以及大气中的水分与钢水或炉渣作用而进入钢中。
根据Fe-H相图，氢在钢中溶解度极小，在α-Fe中比γ-Fe中的溶解度更小，这促进氢的扩散溢出。一般认为，氢溶解于钢中使钢失去韧性，过饱和的氢在钢中的显微孔隙中造成分子氢的压强，形成氢气时，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。因此，氢是产生白点的“元凶”。这时若存在内应力，将协助氢撑开孔隙，形成脆性裂缝。因此，内应力是产生白点的“帮凶”。因此，大型锻件锻造完成后一般都是热装炉进行正火+扩氢退火处理，将锻件的氢含量降到足够低的水平，避免产生白点。尽管近年来，双真空的高纯钢锭普及，钢水的氢含量大为减少，但对于大型锻件而言，氢的扩散距离长，内应力大，内部更易产生偏析而产生夹杂集聚，氢致白点仍是大型锻件报废的主要原因之一。
氢致白点是锻件的致命缺陷，只要出现白点，锻件将被直接报废处理。对于大型锻件而言，单重大，价值高，单件数十万元，甚至数百万元，而一次热处理装入数件或数十件，价值数百万元，甚至数千万元，对扩氢过程的控制管理已经成为锻件质量控制的重要环节。
授权公告号为CN103014259A的中国发明专利申请了一种锻件材的锻后扩氢退火方法，此专利的特点是将传统工艺的一次扩氢退火改为两次扩氢退火，中间增加了一次过冷，有利氢的析出，从而加速扩氢过程。该方法需要过冷，并将过冷后的锻件升温到氢扩散温度范围，耗时较长，脱氢效率仍有待改善。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大型锻件的周期性去氢退火方法，能在较短的时间内将氢的含量降到合理水平，或在相同的时间内将氢含量降到更低的水平，从根本上防止白点的产生。
为实现上述目的，本发明的大型锻件的周期性去氢退火方法的技术方案是：
一种大型锻件的周期性去氢退火方法，包括以下步骤：将正火处理后的锻件升温至650-700℃，均温后进行周期性去氢退火，所述周期性去氢退火包括循环进行如下处理：在650-700℃保温、冷却至550-580℃、在550-580℃保温以及升温至650-700℃；
所述周期性去氢退火的总时间H满足：H＝D/10×η；
式中，D为锻件的最大截面当量尺寸，mm；η为系数，取0.95-1.3。
本发明的大型锻件的周期性去氢退火方法，主要是采用在氢扩散温度范围内的周期性等温，利用周期性的温度起伏使氢的溶解度随温度变化，促进氢的脱溶、聚积和扩散，增大氢扩散压力，加速扩氢过程，能在较短的时间内将氢的含量降到合理水平，或在相同的时间内将氢含量降到更低的水平，从而从根本上防止了白点的产生。
大型锻件一般是指单重10吨以上的锻件，利用以上公式，周期性去氢退火至少进行3次循环。达到周期性去氢退火的总时间后，无论是处于上限保温、下限保温、升温或降温的哪个阶段，皆开始降温，直至温度低于150℃出炉。
为进一步在保证脱氢效果的基础上提高脱氢工艺效率，优选的，对于碳素钢、C-Mn低合金钢和Si-Mn低合金钢，η取0.7-0.8；对于除含镍钢外的其它低合金钢η取0.95-1.05；对于含镍钢和中高合金钢，η取1.1-1.3。
为进一步提高脱氢的有效性，优选的，在650-700℃的保温时间H1＝(1/10-2/10)H，在550-580℃的保温时间H2＝1/10H。
周期性去氢退火过程中，升温和降温过程也都是扩氢的过程。优选的，冷却至550-580℃的冷却速度以及升温至650-700℃的升温速度均为30-40℃/小时。
所述正火处理进行一次、两次或三次，每次正火处理包括在奥氏体化温度下进行保温，之后空冷到400-450℃，然后炉冷到280-350℃进行过冷处理，过冷处理的保温时间为奥氏体化温度下保温时间的2倍。可根据锻件的质量要求，对正火处理进行优化。经过多次正火处理，能充分的消除混晶，细化晶粒。
进一步优选的，执行一次正火处理时：奥氏体化保温温度T3＝AC3+50～70℃，保温时间ZH3＝H/10；执行二次正火处理时：第二次奥氏体化保温温度T3＝AC3+50～70℃，保温时间ZH3＝H/10；第一次正火处理的保温时间T2＝T3+10～30℃，保温时间ZH2＝9/10ZH3；执行三次正火处理时：第三次奥氏体化保温温度T3＝AC3+50～70℃，保温时间ZH3＝H/10；第二次正火处理的保温时间T2＝T3+10～30℃，保温时间ZH2＝9/10ZH3；第一次正火处理的保温温度T1＝T2+10～30℃，保温时间ZH1＝8/10ZH3。
均温是锻件内外温度基本相同的一个过程，为更好的对均温环节进行控制，优选的，周期性去氢退火前的均温时间为30％ZH3；奥氏体化保温前，对锻件进行均温，均温的时间为30％ZH3。
在需要两次、三次正火处理的场合，升温至正火处理温度及在正火处理温度保温后的冷却处理均可参考相关现有技术，优选的，可先升温到670±10℃保温4-8h后，再升温到正火处理温度。冷却时，可先空冷至400-450℃，再炉冷至280-350℃。
附图说明
图1为本发明实施例1的去氢退火方法工艺图；
图2为本发明实施例2的去氢退火方法工艺图；
图3为本发明实施例3的去氢退火方法工艺图；
图4为经历三次正火处理的去氢退火方法工艺图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
以下实施例中，按照公式计算出的温度皆四舍五入到5的倍数，时间则精确到0.5的倍数。
一、本发明的去氢退火方法的具体实施例
实施例1
本实施例的去氢退火方法，针对一种轴，材质为35CrMo，最大截面尺寸D为Φ750，该材质的Ac3温度为790℃，设计的锻后热处理工艺为一次正火+扩氢退火，工艺图如图1所示，具体包括以下步骤：
1)将600-650℃待料的煅后件保温4h后，以100℃/h的速度升温到正火温度850℃(实际控制在850±10℃)，均温2.5小时后保持7.5h，空冷至450℃(实际可控制在400-450℃)，炉冷至350℃(实际可控制在300-350℃)，在350℃保温15h。
2)然后以60℃/h的速度升温到680℃，均温2.5小时后进行周期性去氢退火。周期性去氢退火包括循环进行如下处理：在680℃保温7.5h、冷却至560℃、在560℃保温7.5h以及升温至680℃；
由680℃降温到560℃的速度为40℃/h；由560℃升温至680℃的速度为40℃/h；
周期性去氢退火的总时间为75h。按公式H＝D/10×η，η取1.0。
当工艺执行到总扩氢退火时间达到75小时的时候，无论工艺正处于上限保温、下限保温、升温或降温的哪个阶段，皆开始降温，先以40℃/h的速度降温至400℃，然后以20℃/h的速度降温至150℃出炉。
经超声波检验，锻件没有发现白点、粗晶等缺陷。
实施例2
本实施例的去氢退火方法，针对一种轴齿轮，材质为17Cr2Ni2MoA，最大截面尺寸为Φ790(相当于D＝790mm)，该材质的Ac3温度为820℃，设计的锻后热处理工艺为二次正火+扩氢退火，工艺图如图2所示，具体包括以下步骤：
1)将600-650℃待料的煅后件保温6h后，以90℃/h的速度升温到正火温度900℃(实际可控制在900±10℃，下同)，均温3.5小时后保持9.5h，空冷至450℃(实际可控制在400-450℃)，炉冷至320℃(实际可控制在280-320℃)，在320℃保温19h。
然后以50℃/h的速度升温到670±10℃，保温6h，然后以90℃/h的速度升温到正火温度870±10℃，均温3.5小时后保持10.5h，空冷至450℃(实际可控制在400-450℃)，炉冷至320℃(实际可控制在280-320℃)，在280-320℃保温21h。
2)然后以50℃/h的速度升温到700℃，均温3.5小时后进行周期性去氢退火。周期性去氢退火包括循环进行如下处理：在700℃保温15h、冷却至580℃、在580℃保温10.5h以及升温至700℃；
由700℃降温到580℃的速度为30℃/h；由580℃升温至700℃的速度为30℃/h；
周期性去氢退火的总时间为105h。按公式H＝D/10×η，η取1.3。
当工艺执行到总扩氢退火时间达到105小时的时候，无论工艺正处于上限保温、下限保温、升温或降温的哪个阶段，皆开始降温，先以40℃/h的速度降温至400℃，然后以20℃/h的速度降温至150℃出炉。
经超声波检验，锻件没有发现白点、粗晶等缺陷。
实施例3
本实施例的去氢退火方法，针对一种破碎机主轴，材质为ASTM A668D(相当于国内的40Mn2)，最大截面尺寸为Φ1540，该材质的Ac3温度为793℃，因此锻件具有严格的晶粒度要求，故设计锻后热处理工艺为三次正火+扩氢退火，工艺图如图3和图4所示，具体包括以下步骤：
1)将600-650℃待料的煅后件保温8h后，以100℃/h升温至880±10℃，均温3.5小时后保持9h，空冷至450℃(实际可控制在400-450℃)，炉冷至350℃(实际可控制在300-350℃)，在300-350℃保温18h。
然后以60℃/h的速度升温到670±10℃，保温8h，然后以100℃/h升温至860±10℃，均温3.5小时后保温10h，空冷至450℃(实际可控制在400-450℃)，炉冷至350℃(实际可控制在300-350℃)，在300-350℃保温20h。
然后以60℃/h的速度升温到670±10℃，保温8h，然后以100℃/h升温至850±10℃，均温3.5小时后保温11h，空冷至450℃(实际可控制在400-450℃)，炉冷至350℃(实际可控制在300-350℃)，在300-350℃保温22h。
2)然后以60℃/h的速度升温到650℃，均温3.5小时后进行周期性去氢退火。周期性去氢退火包括循环进行如下处理：在650℃保温22h、冷却至550℃、在550℃保温11h以及升温至650℃；
由650℃降温到550℃的速度为40℃/h；由550℃升温至650℃的速度为40℃/h；
周期性去氢退火的总时间为110h。按公式H＝D/10×η，η取0.7。
当工艺执行到总扩氢退火时间达到110小时的时候，无论工艺正处于上限保温、下限保温、升温或降温的哪个阶段，皆开始降温，先以40℃/h的速度降温至400℃，然后以20℃/h的速度降温至150℃出炉。
经超声波检验，锻件没有发现白点、粗晶等缺陷。

Claims (6)

1.一种大型锻件的周期性去氢退火方法，其特征在于，包括以下步骤：将正火处理后的锻件升温至650-700℃，均温后进行周期性去氢退火，所述周期性去氢退火包括循环进行如下处理：在650-700℃保温、冷却至550-580℃、在550-580℃保温以及升温至650-700℃再保温；
所述周期性去氢退火的总时间H满足：H=D/10×η；
式中，D为锻件的最大截面尺寸，mm；η为系数，取0.95-1.3；
在650-700℃的保温时间H1=（1/10-2/10）H，在550-580℃的保温时间H2=1/10H；
所述周期性去氢退火至少进行三次循环。
2.如权利要求1所述的大型锻件的周期性去氢退火方法，其特征在于，对于碳素钢、C-Mn低合金钢和Si-Mn低合金钢，η取0.7-0.8；对于除含镍钢外的其它低合金钢η取0.95-1.05；对于含镍钢和中高合金钢，η取1.1-1.3。
3.如权利要求1所述的大型锻件的周期性去氢退火方法，其特征在于，冷却至550-580℃的冷却速度以及升温至650-700℃的升温速度均为30-40℃/小时。
4.如权利要求1所述的大型锻件的周期性去氢退火方法，其特征在于，所述正火处理进行一次、两次或三次，每次正火处理包括在奥氏体化温度下进行保温，之后空冷到400-450℃，然后炉冷到280-350℃进行过冷处理，过冷处理的保温时间为奥氏体化温度下保温时间的2倍。
5.如权利要求4所述的大型锻件的周期性去氢退火方法，其特征在于，执行一次正火处理时：奥氏体化保温温度T3=AC3+50~70℃，保温时间ZH3=H/10；
执行二次正火处理时：第二次奥氏体化保温温度T3=AC3+50~70℃，保温时间ZH3=H/10；第一次正火处理的保温时间T2=T3+10~30℃，保温时间ZH2=9/10ZH3；
执行三次正火处理时： 第三次奥氏体化保温温度T3=AC3+50~70℃，保温时间ZH3=H/10；第二次正火处理的保温时间T2=T3+10~30℃，保温时间ZH2=9/10ZH3；第一次正火处理的保温温度T1=T2+10~30℃，保温时间ZH1=8/10ZH3。
6.如权利要求5所述的大型锻件的周期性去氢退火方法，其特征在于，周期性去氢退火前的均温时间为30%ZH3；奥氏体化保温前，对锻件进行均温，均温的时间为30%ZH3。
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