古天佑 第一热处理 讲课稿2010-10-3 - 图文

编制热处理工艺知识介绍

（古天佑 2010年10月4日撰写）

1 引言

一般的科研机构、大专院校、实验室的设备由于没有能力对重达数吨、十几吨、乃至几十吨的锻件进行热处理，因此，大锻件热处理的技术文献和试验数据都比较少，而各个工厂又不愿公开其生产数据，所以大锻件的技术资料便很珍贵。

在资本主义国家里，大锻件热处理的经验和技术参数，一般都控制在少数技术人员手中，作为企业的技术秘密，很难获得。

【例一】 许多钢厂很需要的轧辊，材料：Cr-Mo-V钢 直径：300~700mm 长度：2.5m~5m 单重：3~7t

要求调质后进行表面淬火，达到淬硬层深度10~20mm，硬度HRC ≥65， 其热处理难度是非常大的。

二战前，只有美国能生产这种产品，苏联也从美国进口。

二战后，美国对苏联实行经济封锁，不卖了。苏联只好自己解决，经过2~3年的攻关试验才生产出这种产品。

【例二】 历史有许多惊人的相似，由于意识形态的争斗，苏联将美国对付它的办法也搬

到对付我国轧辊供应上来了。1960年苏联停止了对我国出口冷轧辊，致使我国许多钢厂、甚至造纸厂、塑料厂停产。

我国经过2年的攻关试验，成功生产出高硬冷轧辊，从而结束了要用500头猪才能

换回一根轧辊的历史。

2 什么叫大型锻件？

尚无一个明确的界定，有以重量来界定的，有以含碳量多少、尺寸大小来界定的，还有以加热时最大温差来界定的，说法各异。 【说法一】有人认为，3t以下的锻件是中小型锻件，

3t以上的锻件才是大型锻件。

【说法二】有人认为，含碳量＞0.5%的碳钢锻件，

或含碳量＞0.5%、直径＞100mm的合金钢锻件， 含碳量＜0.5、而直径＞200mm的合金钢锻件 都是大型锻件。

【说法三】有人提出，加热时

△ tmax＞（t介－t

始

）/10………（1）的锻件是大型锻件。

始）产生，

最大温差是在心部开始加热时（即t心＝t对轴类锻件：t表－t

心＝α

R（t介－t

始

）/2λ＝△tmax…………（2）

即，αR（t介－t

始

）/2λ＞（t介－t始）/10…………（3）

1

于是， R＞λ/5α………………………（4）

式中，t表—表面温度，℃

t介—介质温度，℃

t心—心部温度，℃

t始—该点的起始温度，℃

R—工件轴的半径，m

λ—工件导热系数，Kcal/m2

×

×h×℃

α—热交换系数，Kcal/ m2××h×℃

【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，λ

＝40Kcal/ m2

×

×h×℃

α＝80Kcal/ m2××h×℃，

将λ

、α

值代入（4）式

得，R＞λ/5α＝40/（5×80）＝o.1m＝100mm

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λ比碳钢小，故其界限值也相应减小；

●改变炉温，由于使α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

α值大大超过空气炉中加热时的α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

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● 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：Φ1280mm×16310mm

单重：111t→→需要用250t的钢锭锻造。

日本生产的2200~2400MW汽轮发电机转子锻件 尺寸：Φ1808mm×16880mm

单重：247t→→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Φ700mm的轴为例，曾发现

取样部位 C% P% S% 表面成分 0.49 0.025 0.017 心部成分 0.60 0.058 0.048

?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）】

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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σs、σb可能没有问题明显变化，而塑性指标（δ、ψ）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45MnQ钢方舵杆，热处理后做拉伸试验时，强度（σs、σb）合格，而塑性（δ、ψ）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

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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。

③ 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。

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低倍弃料低倍(断口)试片20mm～25mmD≥D/2或≥b/2刀口尺寸15mm～25mmb b≤h 图7—1 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圆形或椭圆形银白色的斑点，直径约5~10mm,也有比较大的、大到40~60mm，

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。

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h

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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200~100℃出现的； 30CrNiMo钢钢坯中，白点是在100~30℃出现的；

而18CrNiMo钢钢坯中，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200℃~50℃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①钢的白点敏感性

②钢的化学成分 ③钢的组织状态

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▲化学成分中，①Ni、Mn、Ni—Cr等元素，提高白点敏感性；

②Zr、Nb、Mo、W、V、Ti和Cr等单独存在和稀土元素，

降低白点敏感性。

▲ 组织状态中，白点敏感性下降的顺序是：

①珠光体、贝氏体、马氏体；混合组织比单一组织更易出现白点；

②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 无白点 无氢脆 34CrNi3Mo 26Cr2Ni4MoV 30CrNiMo1V 70Cr3Mo 9Cr2Mo 5CrNiMo 15MnVN 1.8 1.4 1.8 1.1 2.7 1.4 2.7 1.5 2.7 1.4 2.3 1.1 2.3 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：

①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。

②大型锻件心部存在多方面的不均匀性：◎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。

③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

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扩【H】热处理的原因。

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。

●① 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 ①在其他条件相同时，含Mn和Ni的钢水比不3.56~4.45 含Mn和Ni的钢大致高0.27~0.45PPm 碱性平炉钢 5.33~6.23 ②除接近冒口区外，在锭身部分，平均【H】含碱性电炉钢 4.00~4.89 量比钢水约低0.89~1.33PPm 真空电炉钢 1.96~2.23 而经各种真空处理前后，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 钢种 真空铸锭 3.4 1.2 低合金钢 3.3 1.0 Ni―Mo―V钢 流滴脱气法 6.5 3.0 CK45 出钢脱气法 2.4~4.2 0.7~1.1 CK35 1.8~2.5 0.5~0.7 CK35 氩气并用脱气法 4.2 1.3~1.7 ─ 循环脱气法 6.5 4.0 CK35 真空吸上脱气法 3~6 1~2 ─

● ② 钢中的应力

▲组织应力： 混合（如M＋B、M＋P）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】

нкмз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？

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●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炼过程，是不可避免的。在钢中【H】主要以下列四种状态存在：

①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。

②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。

③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】。

④化合氢：当钢中含有Ti、Zr、Nb、V、Ti等元素时，【H】可以形成氢化物，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，

①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； ②锻后及时装炉退火；

③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A→→F＋K（即P类型）组织

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?目的有二：①通过相变重结晶细化晶粒

②有利于【H】的脱溶和扩散

?制定工艺主要是确定：①冷却速度

②过冷温度

③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 A过冷分解 过冷温度 大型锻件实际 过冷温度下的 （℃） 过冷的温度保温时间 ※ 最快的温度（℃） （℃） 550~600 400~450 400~450 1.0~1.2h/100mm 在P区 极不稳定的钢 280~320 250~300 280~320 1.2~2.0h/100mm 在P区比B转变区稳定的钢 ※——确定保温时间原则：①要保证心部降低到过冷温度

②要使A分解率达到最大程度 ③一般地说，不论截面大小，只要中心达到过冷温度

后再保温3~4h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，只要规定一个总时间，有人建议20~30h就可以了（截面较小的锻件还可以短一些）。这样一来，①A完全分解没有问题

②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180~200℃），可使大型锻件心部更快地冷却到A迅速分解的温度（280~320℃），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，①这种过冷工艺可用于钢水经过真空处理的大型锻件；

②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

?目的有三：①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%）；

②使【H】自含量高处扩散到低处，达到分布均匀；

③促使【H】扩散到不致密处并由原子态转变为分子态。

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?制定工艺主要是确定：①保温温度

②保温时间

? 确定工艺参数的原则：①保温温度应根据钢的A1或Ac1来确定

②要区分是否还要进行最终热处理？ 还要进行的锻件，通常取650±10℃； 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。

③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，但也比一次方关系长。

现将收集到的资料、整理、汇总，见下表 白点 钢号 极限【H】 敏感含量性 (PPm) 低 C%＜0.5%的碳钢、 3.6 低合金钢，如 15CrMo、20Cr、 20CrMo、20MnMo 中 中碳低合金钢，如 3.2 40Cr、35CrMo、 34CrMo1、42CrMo 较高 中碳合金钢，如 2.7 40CrNi、34CrNiMo、 5CrNiMo、5CrMnMo、 70Cr3M0 高 高合金钢，如 1.8 12Cr2Ni3Mo、18Cr2Ni4W、 26Cr2Ni4MoV、34CrNi3Mo 等温温度 时间计算 备注 （℃） （h/100mm） 600—660 ≤700mm者 中小件锻后可空冷或坑冷， 也有资料认为，保温按1.2~1.5 3~6h/100mm计算 ＞700mm者 2.0~2.5 600—660 如果锻后冷却即为最终热处理，1.0~1.2 则正火后在600~660℃保温按 5~8h/100mm计算 先过冷到 1.2~1.5 280—320 再升至 5.0~7.0 650±10 先过冷到 ≤800mm者适用。 1.2~1.5 280—320 在280~320℃保温时， 再升至 12.0~15.0 对Ni%＞2%者，时间应略延长 650±10 1.5~2.0h/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，为了缩短操作时间，最好采用等温保温来代替缓慢冷却。

为什么？因为它利用了【H】溶解度最小

【H】在该温度下扩散速度大

有利扩散去【H】的特点，缩短操作时间。

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例如：碳钢在550~600℃等温；

Cr—Ni、Cr—Ni—Mo钢在640~660℃等温；

M型（如18Cr2Ni4W、25CrNiWA等）钢，则先过冷到280~320℃短时间保温后再

升至 Ac1以下50℃长时间保温更为合适。

原则3利用一次或多次重结晶使钢的晶粒细化、组织改善、性能提高

? 目的有四：①细化晶粒、提高组织均匀性；

②提高【H】分布的均匀性；

③降低A过冷的稳定性使A过冷在280~320℃能较快的、充分的分解；

④降低白点敏感性为超声波探伤及最终热处理做好组织准备。

●对碳钢和一些低合金钢锻件，锻后冷却就是最终热处理，所以这些锻件不论尺寸大小都需要经过一次重结晶，即， 锻后进行正火和回火：

▲正火温度按Ac3＋（30~50℃）

▲回火温度按要求的力学性能来确定。

●对合金元素多的锻件（尤其是截面尺寸达到锻件），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。

▲ 在重结晶中，关键工艺参数是： ① 加热速度，在600℃以下，钢处于弹性状态，要限制加热速度；组600℃以上，钢处于弹塑性状态，加热速度可以适当提高。对于尺寸较大或合金元素较多的锻件，可在650℃加一个保温台阶，以减小锻件中的内外温差和内应力。 ② 加热温度可以按Ac3＋（30~50℃）来确定。

③ 重结晶后的冷却，过冷温度应尽量低一些，以便组织转变更彻底和获得更细的组织。

原则4 在等温保温后要进行缓慢冷却

目的：①降低应力

②避免白点产生

缓冷原则：①截面≥700mm的打锻件，在略低于A1点等温保温后，应在炉

内缓冷；

②截面＜300mm的小锻件，可自等温保温温度在空气中冷却； ③截面在300mm~700mm的中型锻件，可炉冷至300℃~400℃后空冷。

为什么必须缓慢冷却？

理由①， 使【H】的扩散充分进行； 理由②， 防止较大热内应力的产生。

●（550℃~400℃）是钢由弹塑性状态过渡到弹性状态的温度范围，在此温度范围快冷时，会在大型锻件的心部产生残余拉应力，促使白点产生，故冷却速度不

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能快，即要缓冷。

●400℃以下钢已经处于弹性状态，此后快冷虽不会产生残余应力，但瞬时应力大，还是有促使白点产生的危险，故而冷却速度反而更加缓慢，即更要缓冷。

这就是为什么在650℃等温保温扩【H】以后，一般规定以≤40℃/h的冷却速度冷到400℃，然后再以≤20℃/h的继续冷却的原因所在。

下面先把讲过的内容归纳一下，然后再继续往下讲。 我们讲了：

? 什么是大型锻件？

? 大型锻件有哪些特点？

? 由这些特点引导出大型锻件为什么要进行第一热处理？ ? 第一热处理的任务（或者说目的）是什么？ ? 白点是什么？氢脆是什么？

? 制定第一热处理工艺的原则有哪些？

——要尽快过冷到280℃~320℃并保温，使A→→P型（P、B）组织； ——要在略低于AC1的温度等温保温较长时间进行扩【H】处理；

——要进行一次或多次相变重结晶，细化晶粒、改善组织、使【H】分布均匀； ——加热和冷却都要限速，尽量降低热应力，防止产生白点。

以上的描述如果用工艺曲线表达的话，有如下几种基本曲线：

相变重结晶温度过冷 等温保温Ac3±（30～50）℃缓慢冷却650±10℃炉冷或空冷280～320℃炉冷时间

图10—1 锻后退火基本曲线图

我们说，不管多么复杂的第一热处理工艺曲线都是由上述四种基本曲线组合而成的。请看下图：

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图10—2 锻后一次等温冷却工艺曲线图

图10—3 锻后两次等温＋一次过冷工艺曲线图

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图10—4 锻后两次等温＋一次相变重结晶＋一次过冷工艺曲线图

图10—5 锻后两（或三）次等温＋一次相变重结晶＋两次过冷工艺曲线图

需要说明的是，① 待料温度有三种：400～450℃ 500～550℃ 600～650℃

不同厂家、不同材料会选择不同的待料温度。3

② 终冷温度的高低，对占用设备台时影响是非常大的。 因为这个时候的冷却速度非常慢。故不少厂家把终冷温度提高到200℃、250℃、甚至300℃便出炉空冷了。

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11. 工艺曲线分析

在分析大型锻件第一热处理工艺时要遵循如下原则：

① 由锻件的钢号和其原始【H】含量→→确定其白点敏感性大小； ② 分析该钢号A过冷的分解特点，特别要分析促使加快和分解A的条； ③ 不进行最终热处理的锻件，在预防白点形成的同时，处理后要达到力学

性能的要求

④ 在达到上述要求的基础上，热处理工艺周期最短。

问题1 为什么要在650〒10℃下进行等温？

●研究表明，在具有F＋K的混合组织中（P、B、或回火M），【H】的溶解度远比在γ—Fe中的溶解度小，同时【H】的扩散速度又更大，见下表。

组织 【H】的溶解度 【H】的扩散 （Cm/100g） 3α-Fe γ-Fe 0.20～3.02 4.80～9.34 温度（℃） 系数（Cm2/s） -4 600 3.0×10600 -51.7×10 ●因此，防止白点热处理的第一道工序就是要保证锻件锻后冷却或过冷时，使A

过冷→→F＋K

的混合组织。

●为此，对于A过冷稳定性不同的钢，为使其中心转变为α状态，就需要过冷到不同的温度进行等温。

●在650±10℃等温是消除白点的主要工序。虽然它不能使【H】含量降低到足以防止白点出现的极限值，只能使【H】含量比原始【H】含量降低10~12%左右。但是，它却能降低偏析部分的【H】含量，在等温时，【H】向金属不致密处扩散，并使原子【H】→→成对白点形成作用不大的分子【H】，从而避免白点的产生。

?值得一提的是，不同钢种有不同的等温温度，应避免千篇

一律采用同一温度（例如650〒10℃）等温。

问题2 为什么要在280～320℃过冷？

●对于高合金钢锻件来说，由于其过冷A在P区很稳定，而在B区的稳定性要小得多，（例如，34CrNi3Mo钢在600～620℃下，过冷A等温分解为P要15分钟后才开始，要历经15小时才能全部→→P。可是如果让过冷A过冷到280～320℃，它只需16分钟便分解成B,总量达95%）

●因此，对这类钢锻件，在锻后要过冷到280～320℃―→使过冷A迅速→→F＋K的混合组织（B）,并利用在B区转变能加速P转变的特点，使未转变的过冷A→→P。此时，【H】的扩散系数也提高了，其结果是加速了去【H】过程，縮短了生产周期。

●过冷的次数应根据过冷A的稳定性来决定，过冷A越稳定的钢，过冷的次数也越多。

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▲注意！过冷温度的选择应接近MS点，但不能低于MS点。（MS点可查

资料获得）

问题3 为什么要加热到AC3以上进行相变重结晶？

●因为大型锻件的截面较大，不同截面处的锻造温度各不相同、变形程度也不同，不同部位的重结晶过程进行得不一致，松弛程度也不相同。

●另外，锻件局部经过高温加热而没有再经过变形，会造成晶粒粗大。 ●上述结果在锻件局部引起大小不同的残余应力，得到大小不同的晶粒，结果过冷A的稳定性也不一样。当过冷到B区后，局部区域的A 可能先后进行转变，由于转变的不同时性，故而产生组织应力与变形应力，如果与转变过程中析出【H】所产生的应力合并，就很有可能促使白点产生。

●有人认为，从锻造温度冷却的锻件，其A的稳定性显著地高于在重结晶热处理之后A的稳定性，这也可能促使白点的形成。

?综上所述，重结晶可以：

① 降低化学成分和组织的不均匀性；

② 细化晶粒→→增多晶界→→提高【H】的渗透性（因为【H】在晶界易扩散）→→提高【H】的分布均匀性； ③ 降低锻后的残余应力；

④ 降低过冷A的稳定性（因为晶粒细化、枝晶偏析减弱）

● 于是，能保证过冷到280℃～320℃的A快速地、完全地并且同时地进行转变，降低了白点的敏感性。

问题4 为什么在等温保温之后要缓慢冷却？

●因为钢由弹塑性状态过渡到脆性状态的温度（550℃～400℃）范围内，快速冷却时会在大型锻件的心部产生拉应力，促使白点的形成，故要缓慢冷却。

●缓慢冷却使【H】的扩散过程进行得更为完全。所以，在650±10℃等温保温之后，要在炉中以≤40℃/h的速度缓慢冷却。

●当冷却到400℃时，钢已处于弹性状态，此后快冷虽不会产生残余应力。但是，其瞬时应力大，也有促使产生白点的危险。故其冷却速度反而要更加缓慢（即以≤20℃/h的速度），冷却到150℃左右才能出炉空冷。

▲有人认为，

①小截面的锻件，特别是中合金钢锻件，可从等温温度出炉空冷； ②中截面的锻件，可以在炉中冷却到300℃～400℃，然后出炉空冷； ③截面大、合金元素多的锻件，冷却速度应很缓慢，终冷温度也应较低。

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（注意，应用这种观点编制热处理工艺，应持慎重态度！）

提示！

?以上介绍的是一般大型锻件锻后防止白点产生的第一热处理工艺编制方法，希望大家能够掌握和应用。

?我认为，与白点作斗争，是我们锻造厂每一个员工长期而又艰巨的任务。 ?为什么？因为我们自己不炼钢（电渣炉也要吃别人提供的自耗电极钢，严格说来那不是炼钢而是重熔），钢中【H】含量高低的主动权，掌控在别人手中。

?尽管我们订货时，可以提出【H】含量的要求。

?但是由于检验手段、方法、和时机的问题，在锻造之前，我们无法检验采购回来的模铸钢锭其【H】含量究竟是多少？

?这就给我们制定锻后热处理工艺带来困难，即难于决定是否要进行扩【H】？和扩【H】时间的长短。这一工作要靠大家想办法解决。

下面，我想谈谈另外一个话题，那就是H13钢芯棒锻后球化退火的问题。

?球化退火是使钢中碳化物球化而进行的退火

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?为了改善芯棒的原始组织，为调质热处理创造良好的条件，芯棒锻后必须进行球化退火。

?球化组织是钢中最稳定的组织。对于任何原始组织，只要把它加热到足够高的温度并保持足够长的时间，就可以通过扩散形成球状碳化物颗粒。

将钢加热到Ac1以上20～30℃，保温一段时间，然后缓慢冷却，便可得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织

?因此，就有多种热处理方法，都可以产生球化组织。

最常用的两种工艺是： ① 普通球化退火， ②等温球化退火。

▲普通球化退火是， 将钢加热到Ac1以上20～30℃(H13钢的Ac1＝835℃)，保温

适当时间，然后随炉缓慢冷却，冷到500℃左右出炉空冷。

▲等温球化退火是， 与普通球化退火工艺同样的加热保温后，随炉冷却到略低于Ar1（H13钢的Ar1＝770℃）的温度进行等温，等温时间为其加热保温时间的1.5倍。等温后随炉冷至500℃左右出炉空冷。

■ H13钢属于过共析钢, 常采用等温球化退火

其工艺是: 加热到850～890℃保温（按2.3h/100mm计算），然后炉冷到700～740℃保温（按3.5h/100mm计算），然后以≤40℃/h的速度冷却到400℃后，再以≤20℃/h速度冷却到150℃出炉【也有资料介绍炉冷到500℃便可出炉空冷】。目前锻钢车间H13钢芯棒锻后球化（兼扩氢）退火工艺如下：

°C温度850---870730---750500---550550±50°C待料5<50°C/时6.5<30°C/时<50°C/时48<30°C/时<15°C/时时间(小时）矫直后550---570°C保温8小时400<150°C出炉

由此可见，

? H13钢球化退火的加热温度应在奥氏体＋未溶碳化物的两相区, 即850℃～

890℃, 在此温度加热时, 奥氏体中碳及合金元素含量较少, 过冷奥氏体的稳定性差, 有利于退火。同时, 保留未溶碳化物, 在冷却时, 以较慢的冷速冷却, 过冷奥氏体转变只能以这些未溶碳化物为核心, 而形成粒状碳化物和铁素体组织。

▲P显微组织的球化过程最慢，特别是当片层间距较大时，P组织的球化需要好几百小时

▲如果碳化物的原始形状是不连续的颗粒（例如在B中），球化过程就会加快。 ▲如果原始组织是M，球化过程甚至还要快些。

?研究表明，对于在空气中冷却就能形成M的高合金钢（H13就属于这种钢），先让它形成M，然后在接近Ac1的温度回火，便可以得到球化组织。这一思路，为设计新的球化退火工艺提供了理论依据。

第一讲到此为止，下面介绍第二热处理工艺编制方面的知识。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/t4t3.html