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）
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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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