CN103014259B - 锻件材的锻后扩氢退火方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锻件材的锻后扩氢退火方法。该方法是在退火炉中完成的，对于大型锻件材，所述方法包括如下步骤：步骤一，将锻造后锻件材在850-890℃正火并停留4-10h；步骤二，将步骤一正火后的锻件材空冷至300-330℃并停留3-8h；步骤三，将经步骤二空冷后的锻件材升温至660-680℃，均温1-2h/100mm再保温；步骤四，将经步骤三均温保温后的锻件材空冷至400℃再炉冷至300-330℃并停留6-8h；然后再将锻件材升温至660-680℃，均温1-2h/100mm再保温；步骤五，将经步骤四均温保温后的锻件材冷却至200℃以下出炉；其中，所述步骤三和步骤四的保温总时间为7-16h/100mm。本发明的工艺过程简单，对大规格锻材适应性强，杜绝了锻件材的白点缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及钢的热处理工艺，具体涉及一种锻件材的锻后扩氢退火方法。
背景技术
白点为金属内部缺陷，是锻件内常见而又不允许存在的缺陷之一，其会大大降低锻件的机械性能，其形状在经研磨浸酸后的表面上为不同长度和不同方向的显微裂纹。在纤维断口的基体上呈圆形或椭圆形银色斑点。近年来随着真空技术的发展及在冶金工业上的应用，使锻件内产生白点的可能性受到控制。但是目前部分大型锻件还是按常规冶炼浇注方法生产的，因此预防白点仍然是目前必须解决的重要问题之一。白点是由于钢中含氢量高并伴随有应力作用下产生的内部裂纹。一般认为钢中含氢量在2～3ppm以下时不会产生白点。而用常规方法生产的锻件锻后直接空冷下来，由于钢中实际含氢量超过可产生白点的临界值，加上冷却过程中形成的组织应力、热应力以及氢原子转变成分子的压力的作用，在较低温度下，当钢的塑性降低时就形成白点。
钢内部各种元素会产生偏聚现象，柱状晶与芯部等轴晶交接部位P、S、C元素偏析最大，芯部等轴晶形成温度最高，体积变化大，导致固液转变后内部疏松程度最大，两个部位存在较多空隙。这样产生冶炼过程中，钢水很低的含氢量时，由于凝固外部温度低、内部温度高，内部高温区氢溶解度大，对外部氢产生吸收效果，使芯部氢慢慢聚集，最后导致芯部存在较高的氢浓度，空隙也加大氢聚集效果，同时也导致在钢锭状态无法对氢做高温扩散工艺。断面越大凝固时间越长，偏聚效果越大，芯部氢浓度就会越高，如果原始钢水存在高浓度氢，也会提高内部浓度值，给成品扩氢增加难度。因此防白点热处理的任务之一是锻件创造氢溶解度小而扩散速度大的组织及温度条件，使钢中氢气自锻件心部和浓度高偏析区向其他区域扩散，直至促使一部分氢气排出锻件之外。
钢铁材料在热加工后冷却过程中，从800℃以上冷却下来发生组织转变。钢材的表面和芯部由于冷却速率的不一样，钢材内外会得到不同组织，产生组织应力。同时钢材表面温降快，芯部温降慢，温差会产生热应力。钢材存在应力是产生白点缺陷的原因之一。因此，防白点热处理的任务之二是减少钢中的内应力。
锻造过程也是提高氢扩散的途径之一。锻造过程主要是破碎铸造组织、提高致密度、锻造成型、降低或消除凝固过程的偏析缺陷，提高致密度有利于氢元素从新分布，从而提高扩散效果。
锻件的锻后热处理可以防止白点的出现，传统的工艺按钢锭规格进行正火，然后进行联合退火，适应性不强，操作复杂；时间调整系数固定，热处理过程未考虑规格变化时系数要调整的问题，特别是对于大规格钢锭锻材和连铸坯锻材适应性更差，无法杜绝白点缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种锻件材的锻后扩氢退火方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种锻件材的锻后扩氢退火方法，具体如下：
对于小型锻件材，所述方法包括如下步骤：
步骤A，将锻造后锻件材空冷至300-330℃并停留3-8h；
步骤B，将经步骤A空冷后的锻件材升温至660-680℃，均温1-2h/100mm再保温5-10h/100mm；
步骤C，将经步骤B均温保温后的锻件材冷却至200℃以下的出炉温度，然后将锻件材出炉；
对于大型锻件材，所述方法包括如下步骤：
步骤一，将锻造后锻件材在850-890℃正火并停留4-10h；
步骤二，将步骤一正火后的锻件材空冷至300-330℃并停留3-8h；
步骤三，将经步骤二空冷后的锻件材升温至660-680℃，均温1-2h/100mm再保温；
步骤四，将经步骤三均温保温后的锻件材空冷至400℃再炉冷至300-330℃并停留6-8h；然后再将锻件材升温至660-680℃，均温1-2h/100mm再保温；
步骤五，将经步骤四均温保温后的锻件材冷却至200℃以下的出炉温度，然后将锻件材出炉；
其中，所述步骤三和步骤四的保温总时间为7-16h/100mm。
对于大型锻件材的所述方法中，优选地，所述步骤三的保温时间占所述步骤三和步骤四保温总时间的60％，所述步骤四的保温时间占所述步骤三和步骤四保温总时间的40％。
在上述方法中，优选地，所述小型锻件材具有550mm以下的当量直径；所述大型锻件材具有551mm以上的当量直径，更优选具有551-1250mm的当量直径。
在上述方法中，优选地，所述步骤A和所述步骤一中的所述锻造后锻件材的温度均为550-650℃。
在上述方法中，优选地，所述步骤C和步骤五中所述的冷却均分为两个阶段，其中，第一阶段的冷却速度大于或等于第二阶段的冷却速度，第一阶段冷却至400℃。更优选为，所述第一阶段的冷却速度为≤30℃/h，所述第二阶段的冷却速度为≤20℃/h。
在上述方法中，所述锻件材可以是钢锭锻件材或连铸坯锻件材，优选为钢锭锻件材。
本发明方法的扩氢原理是利用同温度、同组织、同溶解度下，通过一次或二次过冷，反复升温到AC1以下，导致不同部位浓度出现差别，因浓度有向平衡转变趋势，内部高氢浓度向表面转移，得到降低，结合规格不同扩散时间不同进行设计，最后慢速降温防止二次偏聚。
本发明的方法可以在现有退火炉中完成，其测温装置可以为6个，烧嘴可以根据计算机设定进行自动调节，在本发明的方法中优选对退火炉的操作进行调整，不允许出现看电偶不看钢的操作，即必须多次抬起炉门观察实际温度场，因为自动炉子和长火焰烧嘴导致实际炉温和电偶温度不一致，炉内有红黑相间的烧花现象，需要进行及时调节，从而避免局部质量问题。
本发明的有益效果：本发明的工艺过程简单，优化了不同规格的锻件材的工艺参数，对大规格钢锭锻材和连铸坯锻材适应性强，杜绝锻件材白点缺陷，特别是大规格锻件材。通过产品分类，采用不同方式，提高炉台利用效率。
附图说明
图1是对比例的传统的锻后热处理工艺曲线图；
图2是与图1的工艺曲线图相对应的工艺参数表；
图3是本发明实施方式的锻后热处理工艺曲线图；
图4是与图3的工艺曲线图相对应的工艺参数表；
图5是举例说明本发明涉及的锻件材当量直径的计算方法表。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行说明，但本发明并不限于此。
本发明提供的锻件材的锻后扩氢退火方法是在退火炉中完成的，其工艺曲线图见图3，图3中标注出的工艺过程所涉及的相应参数参见图4，图3从左到右的工艺过程与图4从左到右的工艺参数相对应。图4是对不同当量直径的锻件材的扩氢退火方法中涉及的工艺参数的进一步优化。下面结合图3和图4对大型锻件材和小型锻件材分别进行说明：
当锻件材的当量直径≤300mm时，作为优选实施方式，所述方法按照如下操作步骤进行：
步骤A，将550-650℃待料后的锻件材拉出炉台空冷至300-330℃并停留3-4h；
步骤B，将经步骤A空冷后的锻件材升温至660-680℃，均温1.5h/100mm再保温6-9h/100mm；
步骤C，将经步骤B均温保温后的锻件材以≤30℃/h的冷却速度冷却至400℃后再以≤20℃/h的冷却速度冷却至200℃以下的出炉温度，然后将锻件材出炉。
当锻件材的当量直径301-450mm时，作为优选实施方式，所述方法按照如下操作步骤进行：
步骤A，将550-650℃待料后的锻件材拉出炉台空冷至300-330℃并停留4-6h；
步骤B，将经步骤A空冷后的锻件材升温至660-680℃，均温1.5h/100mm再保温6-9h/100mm；
步骤C，将经步骤B均温保温后的锻件材以≤30℃/h的冷却速度冷却至400℃后再以≤20℃/h的冷却速度冷却至200℃以下的出炉温度，然后将锻件材出炉。
当锻件材的当量直径451-550mm时，作为优选实施方式，所述方法按照如下操作步骤进行：
步骤A，将550-650℃待料后的锻件材拉出炉台空冷至300-330℃并停留6-7h；
步骤B，将经步骤A空冷后的锻件材升温至660-680℃，均温1.5h/100mm再保温6.5-9.5h/100mm；
步骤C，将经步骤B均温保温后的锻件材以≤30℃/h的冷却速度冷却至400℃后再以≤20℃/h的冷却速度冷却至150℃以下的出炉温度，然后将锻件材出炉。
以上方法中所涉及的锻件材均为小型锻件材，对于小型锻件材而言，在待料后直接冷却至300-330℃，无需正火工艺过程。
下面根据图3和图4列举几种规格的大型锻件材的扩氢退火方法。
当锻件材的当量直径551-800mm时，作为优选实施方式，所述方法按照如下操作步骤进行：
步骤一，将550-650℃待料后的锻件材升温至850-890℃正火，均温后保温共计4-6h；
步骤二，将步骤一正火后的锻件材吊下台车空冷至300-330℃并停留7-8h；
步骤三，将经步骤二空冷后的锻件材升温至660-680°C，均温1.5h/100mm再保温；
步骤四，将经步骤三均温保温后的锻件材空冷至400℃再炉冷至300-330℃并停留6-8h；然后再将锻件材升温至660-680°C，均温1.5h/100mm再保温；
步骤五，将经步骤四均温保温后的锻件材以≤30℃/h的冷却速度冷却至400℃后再以≤20℃/h的冷却速度冷却至150℃以下的出炉温度，然后将锻件材出炉；
所述步骤三和步骤四的保温总时间为7-12h/100mm，其中步骤三的保温时间占总时间的60％，步骤四的保温时间占总时间的40％。
当锻件材的当量直径801-1000mm时，作为优选实施方式，所述方法按照如下操作步骤进行：
步骤一，将550-650℃待料后的锻件材升温至850-890℃正火，均温后保温共计6-8h；
步骤二，将步骤一正火后的锻件材吊下台车空冷至300-330℃并停留8h；
步骤三，将经步骤二空冷后的锻件材升温至660-680℃，均温1.5h/100mm再保温；
步骤四，将经步骤三均温保温后的锻件材空冷至400℃再炉冷至300-330℃并停留6-8h；然后再将锻件材升温至660-680℃，均温1.5h/100mm再保温；
步骤五，将经步骤四均温保温后的锻件材以≤30℃/h的冷却速度冷却至400℃后再以≤15℃/h的冷却速度冷却至150℃以下的出炉温度，然后将锻件材出炉；
所述步骤三和步骤四的保温总时间为9-15h/100mm，其中步骤三的保温时间占总时间的60％，步骤四的保温时间占总时间的40％。
当锻件材的当量直径1001-1250mm时，作为优选实施方式，所述方法按照如下操作步骤进行：
步骤一，将550-650℃待料后的锻件材升温至850-890℃正火，均温后保温共计8-10h；
步骤二，将步骤一正火后的锻件材吊下台车空冷至300-330℃并停留8h；
步骤三，将经步骤二空冷后的锻件材升温至660-680°C，均温1.5h/100mm再保温；
步骤四，将经步骤三均温保温后的锻件材空冷至400℃再炉冷至300-330℃并停留6-8h；然后再将锻件材升温至660-680°C，均温1.5h/100mm再保温；
步骤五，将经步骤四均温保温后的锻件材以≤30℃/h的冷却速度冷却至400℃后再以≤10℃/h的冷却速度冷却至150℃以下的出炉温度，然后将锻件材出炉；
所述步骤三和步骤四的保温总时间为10-16h/100mm，其中步骤三的保温时间占总时间的60％，步骤四的保温时间占总时间的40％。
对于大型锻件材而言，正火工艺可以使晶粒细化和碳化物分布均匀化，去除材料的内应力，降低材料的硬度，防止粗晶影响探伤。
以上工艺适合于钢锭锻件材也适合于连铸坯锻件材，但是更适合钢锭锻件材的扩氢退火。
以上工艺中涉及的当量直径的计算方法参见图5。
本发明的方法适用于10-80碳素结构钢、含有Cr、Mn、Mo、Ni等元素的合结结构钢，如45、35CrMo、20Cr2Ni4、1E2757等。方法中的工艺参数按照不同钢种具体选择。
下面以特种钢1E2757的钢锭锻材为例对本发明的锻后扩氢退火工艺进行更加详细说明。
以下实施例中使用的锻件材是根据不同规格按照扁方宽高比在1.5-2.5倍操作法，20％以上相对压下量的条件下高温锻造的。依据锻造设备能力设定大变形量操作可提高锻件材内部致密度。
实施例1
锻件材的当量直径为250mm，具体扩氢退火处理方法如下：
步骤A，将600-610℃待料后的锻件材拉出炉台空冷至300-310℃并停留3h；
步骤B，将经步骤A空冷后的锻件材升温至660-670℃，均温1.5h/100mm再保温7h/100mm；
步骤C，将经步骤B均温保温后的锻件材以30℃/h的冷却速度冷却至400℃，再以20℃/h的冷却速度冷却至200℃，然后将锻件材出炉。
实施例2
锻件材的厚度为500mm，具体扩氢退火处理方法如下：
步骤A，将620-630℃待料后的锻件材拉出炉台空冷至320-330℃并停留7h；
步骤B，将经步骤A空冷后的锻件材升温至660-670℃，均温1.5h/100mm再保温9h/100mm；
步骤C，将经步骤B均温保温后的锻件材以25℃/h的冷却速度冷却至400℃，再以15℃/h的冷却速度冷却至150℃，然后将锻件材出炉。
实施例3
锻件材的厚度为900mm，具体扩氢退火处理方法如下：
步骤一，将630-650℃待料后的锻件材升温至880-890℃正火，均温后保温共计8h；
步骤二，将步骤一正火后的锻件材吊下台车空冷至300-310℃并停留8h；
步骤三，将经步骤二空冷后的锻件材升温至670-675℃，均温1.5h/100mm再保温9h/100mm；
步骤四，将经步骤三均温保温后的锻件材空冷至400℃再炉冷至300-330℃并停留7h；然后再将锻件材升温至660-680℃，均温1.5h/100mm再保温6h/100mm；
步骤五，将经步骤四均温保温后的锻件材以25℃/h的冷却速度冷却至400℃后再以10℃/h的冷却速度冷却150℃以下的出炉温度，然后将锻件材出炉。
对比例
分别对当量直径为250mm、500mm和900mm的锻件材进行扩氢退火处理，其工艺曲线图参见图1，图1中标注出的工艺过程所涉及的相应参数参见图2，图1从左到右的工艺过程与图2从左到右的工艺参数相对应，传统方法对锻件材的规格没有具体限制，下面根据图1和图2列举一个具体处理方法：
步骤一，将锻造后的锻件材在600-650℃的条件下保持3h，然后升温至900℃保持1.1h/100mm，再拉出炉台空冷至300-310℃并停留1.0h/100mm；
步骤二，将经步骤一空冷后的锻件材再以55℃/h的速度升温至710-720℃，均温1.5h/100mm后再以20℃/h的速度降温至640-650℃，均温12h/100mm后再以30℃/h的速度炉冷至400℃，再接着以10℃/h的速度炉冷至200℃，然后将锻件材出炉。
本发明实施例1、2、3得到的扩氢退火后的特种钢1E2757锻件共400件，出炉24h后采用超声波探伤方法进行了锻件的白点检测，其结果为400件锻件均无白点缺陷，说明本发明的工艺方法扩氢效果好；而对比例得到的400件锻件中有20％有白点缺陷。
对比传统方法，本发明的工艺过程简单；需要保持的最高温度较低，本发明针对小规格锻材只需660-680℃，而对比例需要的最高温度为850-910℃，因此本发明节约能源；针对大规格锻材使用两次过冷至300-330℃的操作，扩氢效果好，完全杜绝锻件材白点缺陷，质量大幅度提高。
Claims (5)
1.一种锻件材的锻后扩氢退火方法，其特征在于，
对于大型锻件材，所述方法包括如下步骤：
步骤一，将锻造后锻件材在850-890℃正火并停留4-10h；
步骤二，将步骤一正火后的锻件材空冷至300-330℃并停留3-8h；
步骤三，将经步骤二空冷后的锻件材升温至660-680℃，均温1-2h/100mm再保温；
步骤四，将经步骤三均温保温后的锻件材空冷至400℃再炉冷至300-330℃并停留6-8h；然后再将锻件材升温至660-680℃，均温1-2h/100mm再保温；
步骤五，将经步骤四均温保温后的锻件材冷却至200℃以下的出炉温度，然后将锻件材出炉；
其中，所述步骤三和步骤四的保温总时间为7-16h/100mm，所述步骤三的保温时间占所述步骤三和步骤四保温总时间的60％，所述步骤四的保温时间占所述步骤三和步骤四保温总时间的40％；
所述大型锻件材具有551mm以上的当量直径。
2.根据权利要求1所述的锻件材的锻后扩氢退火方法，其特征在于，所述大型锻件材具有551-1250mm的当量直径。
3.根据权利要求1所述的锻件材的锻后扩氢退火方法，其特征在于，
步骤五中所述的冷却均分为两个阶段，其中，第一阶段的冷却速度大于或等于第二阶段的冷却速度，第一阶段冷却至400℃。
4.根据权利要求3所述的锻件材的锻后扩氢退火方法，其特征在于，所述第一阶段的冷却速度为≤30℃/h，所述第二阶段的冷却速度为≤20℃/h。
5.根据权利要求1所述的锻件材的锻后扩氢退火方法，其特征在于，所述大型锻件材为钢锭锻件材。
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