CN114717398A - 一种电场辅助大型锻件的锻后热处理扩氢方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电场辅助大型锻件的锻后热处理扩氢方法，属于金属材料热处理技术领域。该方法包括包括在电场中对锻造后的金属锻件加热保温处理的过程。本发明提供的热处理扩氢方法，在热处理的同时外加辅助电场以实现扩氢，短时间内即可有效排除锻件内的部分氢原子，再结合传统的热处理能够较大程度排除锻件内部的氢，降低金属在使用和工作时发生的氢脆、白点和高温氢蚀等突发危险，延长金属的使用寿命。本发明能够大幅度减少热处理所消耗的时间，且可以高效去氢，避免了大型锻件因热处理导致的裂纹、回火脆性等问题。

Description

一种电场辅助大型锻件的锻后热处理扩氢方法
技术领域
本发明涉及金属材料热处理技术领域，尤其涉及一种电场辅助大型锻件的锻后热处理扩氢方法。
背景技术
氢是影响金属安全服役的重要因素之一，氢原子对金属的危害影响的行业十分广泛，例如航空航天、金属冶炼、石油天然气等，大到巨型锻件，小到螺钉螺母，都存在金属氢脆现象。
金属中的氢原子根据来源分为内源氢和外源氢。内源氢是指加工过程中被引入金属材料的氢原子，比如材料在冶炼、加工、酸洗、电镀和热处理等工艺过程，会将空气或者液体中的氢通过不同的方式渗入到材料中。而外源氢是指服役过程中在金属材料在周围环境获得的氢原子，比如运输气体的管路、高温高压容器、蒸汽轮机等特殊环境能够加速材料对氢的吸收。其中，内源氢对金属的危害轻则会影响材料的品质，重则会使加工得到的零件直接报废。因此，对于大型锻件而言，内源氢的影响更为致命，如果零件在加工之前没有做好排氢处理，加工出来的零件就如同定时炸弹一般，存在随时被内源氢破坏的风险。
大型锻件属于热加工产品，指1000吨以上锻造压机或5吨以上自由锻锤锻造生产的自由锻件以及6000吨以上热模锻设备或10吨以上模锻锤生产的模锻件，主要用于重型装备的关键零部件。其质量直接影响到重型装备的整体水平和运行可靠性，是发展电力、船舶、冶金、石化、重型机械和国防等工业的基础，是发展先进装备制造业的前提。大型锻件由于尺寸大和重量大的特点及要求，其加工工艺不可避免导致气体、夹杂、偏析、疏松以及各种组织不均匀等缺陷。因此，大型锻件中往往存在着非常明显的化学成分不均匀以及各种组织缺陷和不同种类的高含量的有害气体，这些有害气体中以氢的危害最为严重，且，氢害所导致的设备损坏难以预测和评估。尽管工程中采用真空熔炼、热处理扩氢等技术进行扩氢处理，但仍不能彻底根除氢害问题。大型锻件扩氢处理一直是热加工过程中的重要工序，也是导致制造工期长，生产成本高的关键因素。氢脆是指锻件在高温成形以及降温过程中，由于氢析出并偏聚于锻件内部的微缺陷中，导致的内高压和微裂纹极易使零件突然断裂，是大型锻件质量控制中最为危险和棘手的问题。氢的存在，即使其含量很少，也会对锻件的塑性、韧性产生非常大的影响，导致在锻件中生成白点缺陷。固溶于钢中的氢是造成白点的主要原因，使锻件在加工或使用中突然出现内部裂纹，从而使锻件报废，造成重大事故或者损害。近年来的研究在热-力-微观组织耦合方面取得了一些新的进展，但对于大型锻件的氢脆问题却没有好的解决方法。
为了降低钢中的氢含量，一方面是通过对钢水的真空除气来实现，另一方面是通过钢坯或锻件的去氢退火来实现，其也是传统的以及现有技术中被广泛采用的方法。传统的热扩氢退火工艺在生产过程中需要消耗大量能源和时间。现在有一些新式的热处理工艺，将热处理的过程提高至特定的保温时间和保温温度，降低锻件内部的氢含量。但是这些热处理工艺普遍存在着耗时较长，且温度范围和处理时间对不同材料种类有不同的限制。因此，对于大型锻件而言，开发高效的排氢方法十分重要。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种电场辅助大型锻件的锻后热处理扩氢方法，通过外加辅助电场，将锻件内部的氢向外界扩除，避免了氢脆等问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
本发明提供一种电场辅助大型锻件的锻后热处理扩氢方法，包括在电场中对锻造后的金属锻件加热保温处理的过程。
优选地，所述电场为直流电场。
优选地，所述直流电场的电流密度为5～30A/m2。
优选地，所述在电场中对锻造后的金属锻件加热保温处理的时间为1～120min。
优选地，所述加热保温处理的温度为300～500℃。
优选地，所述加热保温处理的加热速率为20～30℃/min。
优选地，所述加热保温处理为真空处理。
具体地，所述锻后热处理扩氢方法的具体操作为：将锻造后的金属锻件两侧分别连接直流电源的正负极；将所述锻造后的金属锻件放入加热炉内，抽真空；设置加热温度和加热速率后，开始加热并接通直流电源直至加热保温结束。
上述技术方案具有如下优点或者有益效果：本发明提供的热处理扩氢方法，在热处理的同时外加辅助电场以实现扩氢，本发明通过外加辅助电场将锻件内部的氢向外界扩除，在短时间内即可有效排除锻件内的部分氢原子，同时结合传统的热处理能够较大程度排除锻件内部的氢，降低金属在使用和工作时发生的氢脆、白点和高温氢蚀等突发危险，延长金属的使用寿命。本发明通过微观局部热效应激活氢陷阱，促使氢原子扩散，相比于现有技术中的去氢热处理而言，本发明能够大幅度减少热处理所消耗的时间，且可以高效去氢，避免了大型锻件因热处理导致的裂纹、回火脆性等问题。
附图说明
图1是本发明实施例1-3中电场辅助锻后热处理扩氢的原理图；
图2是本发明实施例1中的电场辅助的锻后热处理扩氢得到的锻件试样与未通电流得到的锻件试样的慢应变速率拉伸实验测试结果图；
图3是本发明实施例2中的电场辅助的锻后热处理扩氢得到的锻件试样与未通电流得到的锻件试样的慢应变速率拉伸实验测试结果图；
图4是本发明实施例3中的电场辅助的锻后热处理扩氢得到的锻件试样与未通电流得到的锻件试样的慢应变速率拉伸实验测试结果图。
具体实施方式
下述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下提供的本发明实施例中的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
在本发明中，若非特指，所有的设备和原料等均可从市场购得或是本行业常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
实施例1：
将模锻锻后的20MnCr5钢加工成150×50×50mm3的方柱试样，将其两端分别连接直流电源的正负极；将该试样放入加热炉内，抽真空处理；试样通电参数为10A/m2直流电，加热炉的升温速率设置为20℃/min，升温至300℃保温20min；取出锻件自然冷却至室温。
将本实施例中电场辅助的锻后热处理扩氢得到的锻件试样与未通电流得到的锻件试样(其它制备过程均同上)进行慢应变速率拉伸实验。实验结果如图2所示，由图2可知，本实施例通过电场辅助的锻后热处理方法，有效增加了钢的延伸率。
实施例2：
将模锻锻后的11Cr23Ni18钢加工成150×50×50mm3的方柱试样，将其两端分别连接直流电源的正负极；将该试样放入加热炉内，抽真空处理；试样通电参数为12A/m2的直流电，加热炉升温速率设置为20℃/min，升温至300℃保温30min；取出锻件自然冷却至室温。
将本实施例中电场辅助的锻后热处理扩氢得到的锻件试样与未通电流得到的锻件试样(其它制备过程均同上)进行慢应变速率拉伸实验。实验结果如图3所示，由图3可知，本实施例通过电场辅助的锻后热处理方法，有效增加了钢的延伸率和抗拉强度。
实施例3：
将模锻锻后的Q345E钢材加工成150×50×50mm3的方柱试样，将其两端分别连接直流电源的正负极；将该试样放入加热炉内，抽真空处理；试样通电参数为10A/m2的直流电，加热炉的升温速率设置为为20℃/min，升温至300℃保温20min；取出锻件自然冷却至室温。
将本实施例中电场辅助的锻后热处理扩氢得到的锻件试样与未通电流得到的锻件试样(其它制备过程均同上)进行慢应变速率拉伸实验。实验结果如图4所示，由图4可知，本实施例通过电场辅助的锻后热处理方法，有效增加了钢的延伸率。
图1所示为本发明实施例1-3中电场辅助锻后热处理扩氢的原理图，本发明提供的电场辅助大型锻件的锻后热处理扩氢方法，其中位错密度大的区域，阻值比较大，位错密度低的区域阻值小，当施加直流电时，位错密度大的区域温度较高，局部高温会激活氢陷阱，促进氢原子的扩散，同时电场中电子会与晶体缺陷发生交互作用，使材料内部原子运动能升高，位错激活能降低，影响了内部位错可动性。因此本发明提供的方法能够有效地排除锻件内部的氢，提高锻件质量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电场辅助大型锻件的锻后热处理扩氢方法，其特征在于，包括在电场中对锻造后的金属锻件加热保温处理的过程。
2.根据权利要求1所述的锻后热处理扩氢方法，其特征在于，所述电场为直流电场。
3.根据权利要求2所述的锻后热处理扩氢方法，其特征在于，所述直流电场的电流密度为5～30A/m2。
4.根据权利要求1所述的锻后热处理扩氢方法，其特征在于，所述在电场中对锻造后的金属锻件加热保温处理的时间为1～120min。
5.根据权利要求1所述的锻后热处理扩氢方法，其特征在于，所述加热保温处理的温度为300～500℃。
6.根据权利要求1所述的锻后热处理扩氢方法，其特征在于，所述加热保温处理的加热速率为20～30℃/min。
7.根据权利要求2所述的锻后热处理扩氢方法，其特征在于，所述加热保温处理为真空处理。
8.根据权利要求7所述的锻后热处理扩氢方法，其特征在于，所述锻后热处理扩氢方法的具体操作为：将锻造后的金属锻件两侧分别连接直流电源的正负极；将所述锻造后的金属锻件放入加热炉内，抽真空；设置加热温度和加热速率后，开始加热并接通直流电源直至加热保温结束。
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