古天佑 第一热处理讲课稿103DOCWord文档格式.docx

1、【例】以碳钢为例，计算在空气炉中加热，当炉温为800时，大型锻件的界限尺寸是多少？【解】 查资料，40Kcal/ m280Kcal/ m2， 将、值代入（4）式得，R/540/（580）o.1m100mm即，对于碳钢来说，直径大于200mm的锻件便是大型锻件。由（4）式可知，合金钢由于导热系数比碳钢小，故其界限值也相应减小；改变炉温，由于使值减小，故其界限值便相应增大；这就是为什么在盐浴炉中加热时其极限值大大降低的缘故（因为其值大大超过空气炉中加热时的值）。 现在一般认为，大型锻件是指用1000t及其以上压力的液压机生产的锻件。 3 大型锻件主要应用范围 轧钢设备：工作辊、支承辊、及大型传动零

2、件等 锻压设备：模块、锤头、锤杆、活塞、 矿山设备：大型传动零件、大型提升装置部件等 火力发电设备：汽轮机与发电机转子、叶轮、护环、大型管板等 水力发电设备：水轮机大轴、主轴、镜板、压制成型大叶片等 核能发电设备：反应堆压力壳体、蒸发器壳体、稳压器壳体、主管道等 石油化工设备：石油加氢反应器、大型筒体、封头等 船舶制造业：大型曲轴、中间轴、尾轴、舵杆、大机锻件等 军工产品制造：大型炮管、航空涡轮盘、高压筒体等 大型科研装置中的关键零部件。4 大型锻件的特点特点1：尺寸大、重量大【例】我国生产的600MW汽轮发电机转子锻件尺寸：1280mm16310mm单重：111t需要用250t的钢锭锻造。

3、日本生产的22002400MW汽轮发电机转子锻件1808mm16880mm247t需要用500t的钢锭锻造。尺寸大、重量大钢锭大锻件大组织不均匀性严重 冶金缺陷多【偏析、疏松、缩孔、非金属夹杂物】 气体含量高这些缺陷的存在，在随后的锻造过程中很难消除掉。所以大锻件中往往存在化学成分不均匀性和许多冶金缺陷。【例】以700mm的轴为例，曾发现取样部位C%P%S%表面成分0.490.0250.017心部成分0.600.0580.048尺寸大、重量大热容量大加热、冷却速度不可能大很难获得M表面和心部组织不同工件的热应力和组织应力都较大 表面和心部的力学性能差异较大特点2 生产环节多、生产周期长生产过程

4、包括：炼钢铸锭锻造锻后热处理粗加工性能热处理各种理化试验【化学成分分析试验（常规元素含量、气体含量、残余有害元素含量分析），低倍试验（酸浸试验、断口试验、硫印试验），力学性能试验（拉力试验、冲击试验、冷弯试验、硬度试验、硬度均匀性试验、断裂韧性试验、冷脆转变温度试验、疲劳试验、高温持久试验），高倍试验（非金属夹杂物、组织、晶粒度、断口分析、）无损探伤（超声波探伤、磁粉探伤、涡流探伤、射线探伤、声发射试验）】5 大型锻件热处理的主要工序及其特点大型锻件的热处理实际上从锻造之后便开始了。它包括：锻后立即进行的等温退火、球化退火以及正火、回火热处理（通常称之为第一热处理），它是为性能热处理做好组织准

5、备的一道工序；粗加工后进行的调质热处理（通常称之为第二热处理）它是赋予工件所要求力学性能的热处理。一般中小型锻件，多用锻坯或轧材锻成，而大型锻件均用钢锭锻成。前者锻后进行沙冷、灰冷、堆冷或空冷即可；后者一般都要进行预防或者说消除白点的热处理，这一工序很重要也很特殊，一般中小件是没有这一道工序的。下面重点介绍白点问题和锻后热处理。6 大型锻件的锻后热处理6.1 锻后热处理的目的防止白点和氢脆；改善组织、细化晶粒，为性能热处理及超声波探伤作好组织准备；消除锻造应力；降低硬度便于切削加工；对不再进行第二热处理的锻件，锻后热处理便是最终热处理了，它既要完成预防白点和氢脆的任务，又要完成热处理后，工件的

6、组织、晶粒度、力学性能达 到技术条件要求的任务。6.2 名词： 白点、氢脆6.2.1 白点是钢中因【H】的析出而引起的一种内部裂纹。其形态：在横截面低倍试片上可见到白点呈许多细小的、略带锯齿状的裂纹，长度从几mm到几十mm不等。在纵向断口上，白点呈圆形或椭圆形银白色斑点，白点因此而得名。见925钢白点照片。6.2.2 氢脆是金属或合金吸收【H】而引起塑性、韧性降低的现象。据研究，即使钢中没有白点，若【H】含量较高时，套料做拉伸试验，其强度s、b可能没有问题明显变化，而塑性指标（、）则会明显下降。究其原因是因为存在氢脆现象。在我们的生产实践中有时候会遇到氢脆现象。【例】2005年在生产出口合同4

7、5MnQ钢方舵杆，热处理后做拉伸试验时，强度（s、b）合格，而塑性（、）不合格，结果在拉棒断口上发现有白斑。 白斑不是白点。白点是钢中已经存在的内部裂纹，而白斑不是内部裂纹，它是由于钢中【H】含量偏高（未到产生白点的临界【H】含量），在拉伸过程中拉应力作用下，【H】产生重新分布与聚集而产生撕裂，结果在拉棒断口上便见到了灰白色斑点（故称为白斑）。 白点是不可消除的缺陷，而白斑是可消除的缺陷。采用补充回火扩【H】的办法，可以将【H】扩散出去便可达到消除白斑的目的。事实上，上述方舵杆经补充回火后，再做拉伸试验，全部性能指标都合格了。 多数碳钢锻件和部分合金钢锻件的锻后热处理就是最终热处理。对于这类钢

8、锻件在锻后要安排一次正火和回火，以期获得必要的组织和性能。 对于合金元素较多、性能要求较高的锻件，尽管还要进行最终热处理，锻后也要进行一次甚至多次重结晶，以便改善锻件的组织和性能，为最终热处理做好组织准备，并为超声波探伤提供条件。7 白点问题白点是第一次世界大战期间在Cr-Ni钢中发现的。1917年在美国，所有Cr-Ni钢制成的飞机曲轴上都有白点，导致飞机制造业完全停产。白点易造成严重的设备、人身事故，这方面国内外都有经验教训。1954年12月19日晚，美国芝加哥瑞吉兰电站一台16.5万KW汽轮机低压缸主轴，因为存在白点缺陷，使仅仅运行了三个月的设备发生爆裂事故。白点的形成与【H】的逸出和材料

9、的变形方向有关，规律如下：1 白点的出现具有批量性。即同一冶炼炉次、同一尺寸锻件、执行同一热处理冷却工艺，往往都会在该批锻件中发现白点。2 白点容易出现在大截面部分。 由于【H】的扩散外逸，靠近锻坯端头及表面不会产生白点。7.1 现象： 白点一般多产生于经锻造或轧制的产品中。 在铸件和钢锭中很难见到白点。7.2 钢材： 马氏体钢、马氏体贝氏体钢、马氏体珠光体钢、珠光体钢 的白点敏感性强； 奥氏体钢、铁素体钢、莱氏体钢在生产实践中未发现过白点。所谓白点敏感性是指在相同的条件：钢中【H】含量相同钢的截面积相同钢的夹杂物和偏析程度相同热处理与锻后冷却条件都相同的情况下，不同钢种产生白点的难易程度，称

10、之为白点敏感性。7.3 冶炼方法： 碱性平炉钢比酸性平炉钢、碱性电炉钢的白点敏感性强。7.4 产生部位： 白点既不出现在锻件的近表面，也不出现在锻件的心部，而是出现在它们之间的中间地带，或是在偏析区（因为这里富集C、P、S和合金元素）。白点形核于亚晶界、夹杂物表面、及其他晶体缺陷处。这也就是为什么低倍试验检验白点的试片,必须先切去一段弃料以后,才能切取低倍试片的原因所在。见下图。 图71 低倍试样取样图7.5 产生方向： 沿金属的纤维方向产生。7.6 白点特征： 在经过磨光和酸蚀的横向切片上，白点是一种细小的发状裂纹，有时呈幅射状分布，有时则平行于变形方向或无规则方向分布。 在纵向断口上白点呈

11、圆形或椭圆形银白色的斑点，直径约510mm,也有比较大的、大到4060mm， 7.7 白点的检验方法常用的白点检验方法有：热或冷酸浸腐蚀检验法（日常生产中使用）断口检验法（日常生产中使用）超声波探伤检验法（日常生产中使用）磁粉探伤检验法（用于检验工件表面是否有白点）着色探伤检验法（用于检验工件表面是否有白点）金相检验法（用于研究白点）扫描电子显微镜分析法（用于研究白点）宏观白点缺陷形貌，见下面的照片。7.8 白点形成的温度： 白点一般是在300以下温度形成的。GCr15钢钢坯在冷却过程中，白点是在200100出现的；30CrNiMo钢钢坯中，白点是在10030出现的；而18CrNiMo钢钢坯中

12、，白点是在车间温度下长时间存放，经过所谓的潜伏期后才出现的。一般情况下，白点是在20050形成，基本上不随钢的化学成分而变化。白点的形成需要孕育期，在时间的作用下钢中的【H】形成足够程度的偏聚，导致金属脆化。一般说来，钢的截面越小、合金化越高，则潜伏期越长，有的相隔数日或数十日。因此，白点的检验必须考虑在白点形成之后。7.9 对钢性能的影响： 是一种无法补救的缺陷。它使钢的横向塑性和韧性大大降低，淬火时易淬裂。所以锻件技术条件中通常都有这样的规定：一旦发现白点工件即报废。7.10 白点的免疫性：某些研究者提出，钢的氢含量【H】2PPm时，白点具有免疫性，即不会产生白点。也有人认为，如果在第一次

13、变形和冷却后的钢坯中没有白点的话，则在其后的热变形和热处理时，不管冷却速度如何，钢坯都不会产生白点。这就是所谓白点的免疫性。【示例】我们通常在锻造很长（例如10多米）的轴类零件时，往往采用先锻成一定长度（根据加热炉的长度来决定具体长度）的坯料，并对坯料进行中间退火（扩【H】预防白点处理），然后再由坯料锻成产品，此后不再进行扩【H】退火的做法，就是上述观点在制定锻造工艺和锻后退火工艺中的具体应用。钢无白点极限【H】含量,受控于钢的白点敏感性钢的化学成分钢的组织状态化学成分中，Ni、Mn、NiCr等元素，提高白点敏感性； Zr、Nb、Mo、W、V、Ti和Cr等单独存在和稀土元素，降低白点敏感性。

14、组织状态中，白点敏感性下降的顺序是：珠光体、贝氏体、马氏体；混合组织比单一组织更易出现白点；细化晶粒、碳化物质点的细化与片状化，位错密度的增加等因素可加大结构缺陷对氢的捕获作用，可减小钢的白点敏感性。东北重机学院、燕山大学、中国科学院曾对转子、冷轧工作辊、支承辊、热作模具钢测定其无白点、无【H】脆的极限【H】含量如下： 单位：PPm钢种34CrNi3Mo26Cr2Ni4MoV30CrNiMo1V70Cr3Mo9Cr2Mo5CrNiMo15MnVN无白点1.82.72.3无氢脆1.41.11.5还应特别注意：少量的残余奥氏体的出现，可急剧加大锻件的白点敏感性。那是为什么呢？ 因为残余奥氏体不仅阻

15、碍【H】的扩散逸出，而且有吸引和储存【H】的作用，使【H】在钢中局部地区高度集中，随后当残余奥氏体马氏体时，在巨大的相变应力作用下便有产生白点的危险。 有人提出，无白点极限【H】含量可以在冶金质量高、均质的理想大型锻件中应用，对一般大型锻件不一定适用。这又是为什么呢？ 原因有三：某一钢种的无白点极限【H】含量的测定，是采用渗入不同【H】含量的小试样，经极慢的拉伸而测得的。它不同于大型锻件内部【H】含量的实际分布情况。大型锻件内【H】的分布是不均匀的，有时甚至相差很大。一般测得的锻件【H】含量，不是锻件内的最高【H】含量。大型锻件心部的【H】含量也不容易测得，故而说它不适用。大型锻件心部存在多方

16、面的不均匀性：化学成分不均匀性；致密不均匀性【H】含量分布的不均匀性这些都与小试样渗【H】情况不一样，故不适用。大型锻件内部常存在非金属夹杂物或疏松、未焊合等缺陷，在这些地方产生应力集中而导致【H】在此部位富集，提供了产生白点的必要条件。也与小试样渗【H】情况不一样。因此，大型锻件在低于无白点极限【H】含量的情况下，仍有产生白点的可能性，原因即在此。所以，关于白点的免疫性，不能生搬硬套，要考虑钢的冶金质量是否好（化学成分均匀、夹杂、偏析少）。如果都好，锻件才具有白点免疫性，否则不一定具有免疫性。这就是为什么原始【H】含量低于无白点极限【H】含量的锻件，在实际生产中还要安排一次扩【H】热处理的原

17、因。8 白点形成原因假说假说很多，主要有：氢压说、位错说、界面吸附说、点阵弱化说等等。但归纳起来，主要与钢中的【H】含量和应力有关。 钢中的氢含量对大型锻件，当【H】含量1.5PPm时，有时也会产生白点。为什么？道理上面已经说过。根据统计资料，在正常的情况下，普通大型锻件的钢水中,【H】含量大致如下：熔炼设备【H】含量PPm说明酸性平炉钢3.564.45在其他条件相同时，含Mn和Ni的钢水比不含Mn和Ni的钢大致高0.270.45PPm除接近冒口区外，在锭身部分，平均【H】含量比钢水约低0.891.33PPm碱性平炉钢5.336.23碱性电炉钢4.004.89真空电炉钢1.962.23而经各种

18、真空处理前后，钢中【H】含量的变化如下：各种真空处理时，钢中【H】含量的（PPm）的变化除气方法除气处理前除气处理后真空铸锭3.43.31.21.0低合金钢NiMoV钢流滴脱气法6.53.0CK45出钢脱气法2.44.21.82.50.71.10.50.7CK35氩气并用脱气法4.21.31.7循环脱气法4.0真空吸上脱气法3612 钢中的应力组织应力： 混合（如MB、MP）组织的存在，促使白点的产生；变形应力： 锻后冷却时，中心的拉应力促使白点的形成，而表面的压应力则阻止白点的形成。【有趣的实验】工厂做过一个实验，在热变形后立即进行弯曲的钢坯冷却后发现，钢坯在拉力区有白点，在压力区无白点。冷

19、却应力： 锻后冷却过快造成的热应力有促进白点形成的作用。总之，白点的形成是【H】和应力共同作用的结果。那么，如何降低钢中的氢气含量呢？钢中的氢气主要来自：金属炉料、合金铁、造渣材料、炉内气氛中所含的水分、以及耐火材料中的有机化合物水分和钢锭模涂料。为了降低钢中的【H】气，应该冶炼时应使用纯净的炉料（如使用少锈的废钢和生铁）、使用经过充分烘干的合金铁等。熔炼时应保证整个熔池内发生强烈的沸腾，以期最大限度地去除氢气。采用真空熔炼、真空浇注是降低钢中【H】含量的好办法。所以，重要锻件要走钢包精炼、真空浇注工艺路线，尽量减少钢中的气体和夹杂物。9 大型锻件中的氢大型锻件中的【H】主要来自炼钢原材料及冶

20、炼过程，是不可避免的。在钢中【H】主要以下列四种状态存在：固溶氢：以间隙原子（或离子）的形式固溶于钢的晶体点阵中的【H】称为固溶氢。这种【H】的扩散、偏聚活动能力很强，是引起白点和氢脆的主要来源。分子氢：由【H】原子结合而成分子，主要存在于钢的孔洞、疏松、界面等处，400以下无扩散能力，400以上将分解为原子【H】并重新获得扩散能力。捕集氢：被钢中的位错、相界面、晶界、亚晶界及其他点阵缺陷（统称为【H】陷阱）所捕集而不能自由扩散的【H】原子，捕集【H】在低温下仍有部分扩散能力，在温度较高时捕集【H】将挣脱阱的束缚重新变为固溶【H】。化合氢：当钢中含有Ti、Zr、Nb、V、Ti等元素时，【H】可

21、以形成氢化物，亦可溶于碳化物中，形成含【H】的碳化物化合氢，它是不能扩散的。普通用途的大型锻件用钢中，上述元素含量很少，故可以忽略不计。最后归纳一下：防止白点的对策有三，注意炉料的烘烤，冶炼时充分沸腾，采用真空除气技术，降低钢中的【H】含量；锻后及时装炉退火；根据钢种和钢中【H】含量以及锻件的大小等情况，合理制定去【H】退火工艺。10 大型锻件锻后热处理工艺的制定原则原则1 让大型锻件尽快地、充分地由AFK（即P类型）组织目的有二：通过相变重结晶细化晶粒有利于【H】的脱溶和扩散制定工艺主要是确定：冷却速度过冷温度过冷温度下的保温时间确定过冷温度和过冷温度下的保温时间的工艺参数，见下表A的稳定性

22、A过冷分解最快的温度（）过冷温度（）大型锻件实际过冷的温度（）过冷温度下的保温时间 在P区极不稳定的钢5506004004501.01.2h/100mm在P区比B转变区稳定的钢2803202503001.22.0h/100mm确定保温时间原则：要保证心部降低到过冷温度要使A分解率达到最大程度一般地说，不论截面大小，只要中心达到过冷温度后再保温34h就可以了，不必花费更多的时间。 由A化温度到过冷温度的冷却方式： 一般采用炉冷、空冷炉冷间断冷却、或空冷。 如果由终锻温度过冷的冷却速度加大，并适当降低过冷温度的话，等温保温时间可以大大縮短。锻件的中心达到等温温度后，其保温时间不需要以锻件的截面计算

23、，只要规定一个总时间，有人建议2030h就可以了（截面较小的锻件还可以短一些）。这样一来，A完全分解没有问题有足够的去【H】时间。 对于过冷A非常稳定的钢，采用较快的冷却速度（如鼓风冷却等）以及较低的过冷温度（如低于Ms点的180200），可使大型锻件心部更快地冷却到A迅速分解的温度（280320），从而使心部转变温度下降，得到沿截面分布较为细小均匀的贝氏体组织。但需切记，这种过冷工艺可用于钢水经过真空处理的大型锻件；此种过冷工艺万万不可用于由大气浇注的钢锭锻制的大型锻件。这样做，在过冷阶段便有可能产生白点，而使锻件报废。原则2 在略低于A1或Ac1温度下长时间等温保温进行扩【H】退火目的有三

24、：使一部分【H】自锻件表面排出去（一般只能使锻件平均【H】含量下降10%12%）；使【H】自含量高处扩散到低处，达到分布均匀；促使【H】扩散到不致密处并由原子态转变为分子态。保温温度保温时间 确定工艺参数的原则：保温温度应根据钢的A1或Ac1来确定 要区分是否还要进行最终热处理？还要进行的锻件，通常取65010；不再进行最终热处理的锻件，等温温度应与要求得到的性能相适应。保温时间要考虑：a.钢的原始【H】含量，越高者，时间越长；b.钢的化学成分，对白点敏感性的钢，其无白点极限【H】含量越低，要求保温时间越长；c.锻件的截面尺寸，在实际的工艺中，虽然扩【H】时间不按与直径平方成正比关系确定，但也

25、比一次方关系长。现将收集到的资料、整理、汇总，见下表白点敏感性钢号极限【H】含量（PPm）等温温度时间计算（h/100mm）备注低C%0.5%的碳钢、低合金钢，如15CrMo、20Cr、20CrMo、20MnMo3.6600660700mm者1.21.5700mm者2.02.5中小件锻后可空冷或坑冷，也有资料认为，保温按36h/100mm计算中中碳低合金钢，如40Cr、35CrMo、34CrMo1、42CrMo3.21.01.2如果锻后冷却即为最终热处理，则正火后在600660保温按58h/100mm计算较高中碳合金钢，如40CrNi、34CrNiMo、5CrNiMo、5CrMnMo、70Cr3M0先过冷到280320再升至650105.07.0高高合金钢，如12Cr2Ni3Mo、18Cr2Ni4W、26Cr2Ni4MoV、34CrNi3Mo12.015.0800mm者适用。在280320保温时，对Ni%2%者，时间应略延长1.52.0h/100mm上表仅供参考。必须注意！时间参数应根据各厂的冶金质量，抽真空的效果（实际真空度）不同而有所差别，即应根据本厂的实际情况确定具体参数。 考虑了【H】的析出动力学以后，为