不銹鋼形變熱處理工藝方法36例

形變熱處理亦稱“熱機(jī)械加工”。在機(jī)械制造過程中，將壓力加工（輥、鍛、軋）與熱處理工藝有效地結(jié)合起來，則可同時(shí)發(fā)揮行變強(qiáng)化和熱處理強(qiáng)化的雙重作用，獲得單一的強(qiáng)化方法所不能達(dá)到的綜合力學(xué)性能。這種復(fù)合強(qiáng)化的工藝稱為形變熱處理。

 

除了能獲得優(yōu)異的力學(xué)性能外，形變熱處理還可省去熱處理的重新高溫加熱，從而節(jié)約大量能源、加熱設(shè)備和車間面積，減少材料的氧化脫碳、畸變等熱處理缺陷。因此，形變熱處理工藝兼有優(yōu)良強(qiáng)化效果與巨大的經(jīng)濟(jì)效益

 

1.鍛熱淬火工藝16例

（1）鏜刀鍛后淬火

鏜床用鏜刀刀身直徑4mm，刀頭直徑6mm，總長40mm，鍛后立即淬火，及時(shí)回火，結(jié)果使切削壽命較常規(guī)處理提高30%以上。

（2）車刀鍛后淬火

國內(nèi)某機(jī)床電器廠生產(chǎn)的自用M2鋼車刀，鍛后立即淬油，550℃回火，使用壽命較市售車刀提高1倍多。嘉龍公司用9341鋼制12方自用車刀，自由鍛造后油冷，使用壽命比較高。

 

（3）粉碎機(jī)錘頭鍛熱淬火

65Mn鋼制355mm×98mm×33mm粉碎機(jī)錘頭鍛后余熱淬火：始鍛溫度1050℃，終鍛溫度840～860℃，終鍛后在空氣中停留2～3s，淬入流動(dòng)的自來水，180～200℃回火，表層10mm向內(nèi)硬度可達(dá)50～55HRC，使用壽命較常規(guī)熱處理提高50%以上。

 

（4）套筒扳手鍛熱淬火

國內(nèi)某五金工具廠用40Cr鋼制套筒扳手，鍛熱淬火代替原鹽浴淬火，不僅節(jié)能環(huán)保，而且質(zhì)量上乘。

 

（5）鏨子鍛熱淬火

55MnSi鋼制鏨子在2500N空氣錘和專用的模子上鍛造成形，高溫形變溫度為920～950℃，形變量為75%左右，終鍛溫度大約900℃，形變后30s內(nèi)（視工件表面火色）迅速水淬油冷，220～270℃回火。形變熱處理后的鏨子硬度高、韌性好，使用壽命大大提高。

 

（6）螺紋環(huán)規(guī)的鍛熱淬火

將230mm×120m質(zhì)量約40kg的CrMn鋼毛坯鍛打成90mm×90mm×600mm方條，再根據(jù)環(huán)規(guī)尺寸下料。將坯料加熱到1050～1150℃，適當(dāng)保溫在高溫形變區(qū)內(nèi)快速鐓拔成形，其形變量為35%～40%，終鍛溫度920～900℃，立即投入到40～70℃油冷卻，在油中冷40～60s，約100℃出油空冷，及時(shí)回火。環(huán)規(guī)表面硬度均≥62HRC。

 

（7）45鋼制鏈輪鍛熱淬火

始鍛溫度1070～1150℃，終鍛溫度為850℃，形變量為35%～75%，回火溫度200～350℃，較鹽浴火箱式爐加熱淬火，強(qiáng)度提高約30%，耐磨性提高26%～30%。

 

（8）GCr15鋼制軸承鍛熱淬火

形變溫度930～970℃，形變量30%，油冷，150～180℃回火。和常規(guī)熱處理相比，提高強(qiáng)度近20%，接觸疲勞壽命提高23%。

 

（9）40Cr鋼制柴油機(jī)連桿鍛熱淬火

1150～1180℃始鍛，胎膜鍛造，形變時(shí)間13～17s，形變量約40%，緊接著在2150N曲柄壓力機(jī)上切邊、較直后立即淬火（工件此時(shí)的溫度為900～950℃），最后進(jìn)行650℃回火。

 

（10）45Mn2鋼制鋼球鍛熱預(yù)冷淬火

使用45Mn2鋼制直徑70～100mm鋼球，始鍛溫度約1200℃，終鍛溫度控制在1000～1050℃，根據(jù)鋼球規(guī)格選擇不同的預(yù)冷時(shí)間后水淬，150～180℃回火鋼球表面硬度均≥57HRC，≥50HRC的硬化層深度均＞20mm，滿足了大規(guī)格鋼球的使用要求。

 

（11）65 Mn鋼犁鏵輥鍛余熱淬火

1100～1200℃中頻感應(yīng)加熱，從輥鍛變形開始至淬火前約20s，犁鏵不同部位的變形量為56%～83%，形變后淬熱密度為1.30～1.35g/cm3的CaCl2水溶液中，淬火后進(jìn)行460～480℃×3h回火，硬度40～45HRC。

 

與犁鏵的常規(guī)熱處理工藝相比，加熱次數(shù)由4～5次減少為兩次，生產(chǎn)效率提高約4倍，產(chǎn)品質(zhì)量全部達(dá)到一等品要求，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

 

（12）汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛熱淬火

直徑60mm的40Cr鋼制汽車轉(zhuǎn)向節(jié)，1150～1200℃加熱后始鍛，終鍛溫度900～850℃，油冷，600℃×2h回火。利用鍛造余熱淬火，不僅節(jié)約能源降低成本，而且顯著改善組織結(jié)構(gòu)，提高材料力性能，尤其是沖擊韌度的提高對(duì)汽車安全性意義更為重大。

 

（13）Cr12MoV鋼制精密塑料熱壓模鍛熱調(diào)質(zhì)

模具的外形尺寸為70mm×20mm×10mm，在20mm寬度平面上分布有直徑 1.5mm、2.5mm、3mm小孔各20個(gè)，要求熱處理后的孔距公差為±0.006mm，平面度＜0.01mm硬度56～60HRC。

 

由于Cr12MoV鋼的共晶碳化物偏析嚴(yán)重，經(jīng)開坯軋制后有一定程度的破碎，但沿軋制方向仍呈帶狀分布，心部呈網(wǎng)狀、塊狀和堆集分布，成為應(yīng)力集中和裂紋源，并導(dǎo)致材料各向異性，同時(shí)也增加熱處理畸變，采用鍛熱形變較好地解決了上述問題。具體工藝如下：始鍛溫度1050～1160℃，終鍛850～950℃，趁熱油冷，780℃×3h×2次回火。最終熱處理工藝：600℃+850℃兩次預(yù)熱，1100～1160℃鹽浴加熱，800℃、450℃兩次分級(jí)，280℃等溫淬火，490～500℃×2h×2次回火。

 

最終熱處理后的金相組織：馬氏體+下貝氏體+彌散碳化粉+少量的殘留奧氏體。其體積比容與鍛熱調(diào)質(zhì)的索氏體接近，達(dá)到微變形，熱處理后不用校直，畸變?nèi)�部達(dá)到技術(shù)要求，硬度58～60HRC，合格率達(dá)99.99%。按上述工藝熱處理的模具有高的耐熱性、熱硬性和耐磨性，使用壽命高。

 

用鍛造余熱淬火+高溫回火的例子還有很多，如六角拉輪模、拉深模、冷沖模等，不一一列舉。

 

（14）五金工具鍛熱淬火

五金工具中的扳手、起子、鉗子、剪刀等手工工具是最早施行鍛造余熱淬火的，這也許是最早的形變熱處理原形吧，將工具要淬火的部位放在焦炭爐加熱，觀其火色，即行鍛造，有的需幾火才能打到既定尺寸，最后一火鍛造成形后不要空冷，根據(jù)材料，選擇合適的冷卻劑，然后放在爐邊回火或采用自身余熱回火，很少采用專用的回火爐。

 

（15）木工工具鍛造淬火

木工工具中的刨刀、斧頭、鑿子自由鍛造后，一般均用余熱淬火，節(jié)電省時(shí)，生產(chǎn)效率高。

 

（16）農(nóng)機(jī)具鍛造余熱淬火

現(xiàn)在到農(nóng)村一些集鎮(zhèn)，仍然可以看到用焦炭爐加熱，利用鍛造余熱淬火的農(nóng)機(jī)具有鐮刀、鐵鍬、鏟子、耙田靶子、破碎機(jī)錘頭等及其廚房用的勺子、鍋鏟、菜刀等。

2.鍛造正火2例

 

（1）3Cr3Mo3W2V鋼制熱鍛模消除鏈狀碳化物的正火處理

該鋼鍛后緩冷易出現(xiàn)鏈狀碳化物，導(dǎo)致模具脆斷、龜裂或熱裂失效，采用正火，可使M6C溶解，在空冷速度＞15℃/min時(shí)，超過了形成鏈狀碳化物的臨界冷速，可消除鏈狀碳化物并在球化退火后獲得顆粒勻細(xì)分布的碳化物。推薦的正火溫度為1130℃，經(jīng)改鍛正火沖擊韌度值由26J/cm2提高到23J/cm2，壽命由原1500件提高到2000件以上。

 

（2）20CrMn鋼鍛熱正火

高溫形變正火是指工件在終鍛后大約850℃，直接放到空氣中散冷，不僅能使強(qiáng)度提高，而且鋼的沖擊韌度、抗磨及抗疲勞性都有大幅度提升，而且降低了鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度。用20CrMnTi鋼制鍛坯外形尺寸為80mm×80mm×40mm，鍛后空冷，控制好冷速，使力學(xué)性能大大提高，而且便于切削加工。國內(nèi)某些機(jī)械公司，20CrMnTi鋼汽車齒輪，采用鍛造余熱正火，生產(chǎn)1t齒輪即可節(jié)電300kW·h以上。

 

3.鍛熱退火2例

 

（1）高速鋼鍛件的快速球化退火

國內(nèi)有些單位在高速鋼停鍛后立即放入早已升溫到Ac1-（20～30）℃爐保溫2～3h，爐冷至550℃，出爐空冷，筒化了工序，縮短了生產(chǎn)周期，節(jié)電70%～90%，降低生產(chǎn)成本，改善了勞動(dòng)條件，提高了鍛件質(zhì)量，并有利于機(jī)械化操作。經(jīng)過軋制、模鍛等溫加工的高速鋼工件，不必沿用常規(guī)的退火工藝，可以參考本例。

 

（2）8Cr2WMnMoVS（簡稱8Cr2S）制精密冷沖模鍛造余熱退火

模具外形尺寸為250mm×200mm×42mm，始鍛溫度1150～1100℃，終鍛溫度900～850℃，退火工藝：800～820℃×4～6h爐冷至500℃出爐空冷。

 

4.輥、軋、擠余熱淬火5例

（1）機(jī)械刀片鑲軋淬火

木材加工行業(yè)使用的部分旋刀和刨切刀是用鑲接法成形的。刀刃用5Cr8W2MoVSi之類的合金工具鋼，刀體（或叫刀背）為45鋼火Q235A鋼，加熱到刃鋼的鍛造溫度，用軋機(jī)把刃鋼和刀體焊接在一起，屬于一種固相焊接法，壓軋成規(guī)定尺寸，控制終軋溫度，適時(shí)淬火冷卻。這種方法制造出來的刀片省時(shí)省電，而且質(zhì)量好，硬度高，壽命長。詳情請(qǐng)登入http://lyxmc.com

 

（2）M2鋼車刀軋熱淬火

軋熱淬火是利用各種型材軋制后的余熱進(jìn)行淬火的熱處理工藝。它的強(qiáng)化效果與鍛熱淬火相同。M2鋼1220℃軋制（250型軋機(jī)，50r/min）成規(guī)定尺寸直接淬火，硬度均能達(dá)65HRC以上，車刀切削壽命均比鹽浴淬火高。

 

（3）45鋼制機(jī)用木工麻花鉆軋熱淬火

國內(nèi)某工具公司生產(chǎn)機(jī)用木工麻花鉆，筆者施行形變熱處理取得成功。通過高頻加熱裝置，四輥熱軋，奧氏體化溫度950～1000℃，形變溫度880～950℃，形變量30%左右，淬火劑為循環(huán)的兩硝水溶液，水溫＜70℃，淬火后硬度≥54HRC，240～260℃×1h回火后硬度≥50HRC，符合技術(shù)要求，95%以上達(dá)到形變要求。

 

（4）螺紋鋼筋軋熱淬火

20MnSi鋼螺紋鋼筋需熱軋供貨，性能要求抗拉強(qiáng)度≥510MPa、抗彎強(qiáng)度≥335MPa、伸長率≥16%。60mm×60mm的方坯，軋制成直徑16mm的螺紋鋼筋。始軋溫度1100～1200℃，軋制形變量約93%，終軋溫度950～900℃，正好是該鋼低碳馬氏體淬火的溫度，軋后水冷1～1.26s出水，550～600℃，利用本身的熱量自回火。經(jīng)上述軋熱淬火回火工藝處理的鋼筋，力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過GB1499規(guī)定的數(shù)值，也超過英國BS4449標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的力學(xué)性能。

（5）35CrMo鋼制石油鉆桿接頭擠壓余熱淬火

擠壓形變溫度1100～1200℃，回火溫度570～580℃。硬度300～335HBW，力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度≥1068MPa、抗彎強(qiáng)度≥960MPa、伸長率≥14.5%，符合部頒標(biāo)準(zhǔn)要求。實(shí)踐告訴我們，對(duì)于像接頭這樣較大的工件進(jìn)行擠壓余熱淬火，必須慎重選擇形變溫度、變形后淬火前的停留時(shí)間、淬火介質(zhì)、工件在淬火介質(zhì)中的冷卻時(shí)間，回火溫度等工藝參數(shù)。

 

5.相變超塑性熱處理4例

 

（1）9SiCr鋼的超塑形變熱處理

840℃×2h油冷+200℃×2h回火是為了獲得雙細(xì)化組織。然后800℃超塑形變，形變速率2.5×10s、拉伸形變量250%，形變后油中冷卻。超塑形變后測試了鋼的抗彎強(qiáng)度與多沖壽命以及硬度等指標(biāo)，結(jié)果表明，抗彎強(qiáng)度較常規(guī)處理提高28%，多沖壽命提高38.6%，硬度均≥60HRC，和常規(guī)淬火相當(dāng)。

 

（2）低溫形變熱處理

H11鋼經(jīng)常規(guī)淬火482℃ 兩次回火后鋼的抗彎強(qiáng)度為1852MPa，伸長率為12.5%。如果于低溫形變淬火+482℃回火，再于316℃左右進(jìn)行2%形變時(shí)效，最后再補(bǔ)充進(jìn)行482℃回火。此工藝雖復(fù)雜一些，但使鋼的抗彎強(qiáng)度值上升到2548MPa，提高37.5%，伸長率仍保持原來水平。

 

（3）高低相結(jié)合的形變熱處理

這種復(fù)合形變熱處理是在高溫形變淬火后，再在一定溫度下進(jìn)行少量的變形并回火的工藝。高溫形變淬火后再進(jìn)行馬氏體形變時(shí)效，可使鋼獲得比其他任何熱處理都高得多的強(qiáng)度性能。例如，50CrVA經(jīng)常規(guī)淬火+200℃回火后，力學(xué)性能分別為：抗拉強(qiáng)度2119MPa、抗彎強(qiáng)度1497MPa、斷面收縮率41.7%。經(jīng)高溫形變淬火+200℃回火+3%形變+200℃回火后的力學(xué)性能分別為：抗拉強(qiáng)度2597MPa、抗彎強(qiáng)度2254MPa，即高溫形變淬火與馬氏體形變時(shí)效相結(jié)合的復(fù)合形變熱處理，使50CrVA鋼的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度分別提高了22.6%和50.7%。

（4）機(jī)械刀片輥壓校直

嘉龍公司生產(chǎn)長度2m以上的刨切刀、旋切刀等機(jī)械刀片，在保護(hù)氣氛爐中加熱淬火出爐溫度約500℃，待工件冷到200℃左右，利用相變超塑性的原理，在輥壓機(jī)上往復(fù)滾壓幾次，彎曲10～15mm立刻就能校到直線度≤0.30mm，這種形變強(qiáng)化，不僅能校直好彎曲的刀片，還能使被滾壓的表面產(chǎn)生約5mm深的殘余壓應(yīng)力，有利于提高刀具的使用壽命。

6.形變化學(xué)熱處理7例

（1）冷形變滲碳

該工藝是在工件冷變形后進(jìn)行滲碳，由于冷變形產(chǎn)生了不少結(jié)構(gòu)缺陷，可使?jié)B碳過程加速。例如20CrNiMo經(jīng)冷鐓變形量25%，930～950℃×2h氣體滲碳，滲層深度達(dá)0.84mm；若形變量50%，涂層可達(dá)0.88mm，形變量越大，滲層越深。

 

（2）冷形變滲氮

該工藝是工件在室溫下冷形變后進(jìn)行滲氮的復(fù)合熱處理工藝。冷形變滲氮與冷形變滲碳不同；冷形變使?jié)B氮速度減慢，滲層深度減薄，且隨著形變量的增大，滲層減薄趨勢越明顯。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是氮原子對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用（或位錯(cuò)對(duì)氮原子的陷阱作用），阻礙了氮原子的擴(kuò)散作用。但使冷形變滲氮卻可使純鐵的強(qiáng)韌性升高。滲氮溫度及保溫時(shí)間視鋼種而定，如38CrMoAl鋼和20鋼分別為650℃和550℃。

 

（3）冷形變滲硼

該工藝是工件在室溫形變后進(jìn)行滲硼的復(fù)合熱處理工藝。例如20鋼制工件于溫室軋制形變，隨后進(jìn)行900℃保溫和不同的加熱速度固體滲硼。試驗(yàn)表明，冷形變可明顯增大滲硼層深度。****滲層深度所對(duì)應(yīng)的****形變量隨加熱速度和滲硼保溫時(shí)間而異。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于鋼的冷形變組織加速了鋼件表面對(duì)硼原子的吸附過程所致。

 

（4）冷形變碳氮共滲

冷形變碳氮共滲是在室溫形變后進(jìn)行中溫碳氮共滲的復(fù)合熱處理工藝。表面處理前的冷處理，對(duì)鋼的碳氮共滲過程有明顯的影響，其作用是提高表面的C、N含量，以及在****形變量時(shí)增大滲層的厚度，例如：20CrMnTi鋼冷軋形變量為15%時(shí)，860℃×2h、860℃×4h碳氮共滲的厚度分別為0.65mm和0.80mm。

 

（5）形變滲鈦

室溫形變除對(duì)間隙原子在鋼中的擴(kuò)散過程有影響外，還對(duì)置換型原子在鋼的滲入過程產(chǎn)生影響。例如：對(duì)冷形變后的16Mn鋼進(jìn)行滲鈦，考查了冷形變對(duì)固體滲鈦過程的影響，試驗(yàn)表明，滲鈦溫度為900～950℃，30%的形變量****，隨著滲鈦溫度的提高，保溫時(shí)間的延長，滲層越厚。

 

（6）鍛熱滲碳淬火

該形變熱處理工藝是將工件坯料加熱到始鍛溫度改鍛，隨即放入滲碳爐中滲碳，然后直接淬火。鍛熱滲碳淬火可以節(jié)約滲碳時(shí)工件加熱所需的電能，并能提高滲碳速度、表層硬度和耐磨性，適合于中等模數(shù)的齒輪，以及其他類型的滲碳工件。

 

滲碳與形變熱處理相復(fù)合的另一種形式是滲碳+鍛熱淬火，即先進(jìn)行滲碳，隨之熱模鍛和淬火；實(shí)施這種工藝可使工件的有效硬化層增厚、表面壓應(yīng)力增大、破斷功提高，產(chǎn)品壽命延長。

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（7）9SiCr鋼制圓板牙滲氮淬火復(fù)合熱處理

9SiCr鋼制圓板牙熱處理硬度要求62～65HRC，常規(guī)熱處理860～880℃鹽浴加熱淬火，150～180℃回火，發(fā)黑出廠。一般情況下，為提高刀具硬度、耐磨性可采用表面化學(xué)熱處理，但是化學(xué)熱處理的工藝溫度至少得400℃，對(duì)9SiCr鋼制工具，顯然是不合適的，而滲氮淬火解決了這個(gè)難題。

先在LD 60kW離子氮化爐中滲氮，然后在100kW中溫鹽浴爐中加熱，油冷，冷處理，最后150～180℃回火。經(jīng)檢測，距表面0.10～0.80mm，硬度＞927HV5，峰值硬度974～986HV5。0.20～0.60mm處硬度≥857HV5，并提高硬化區(qū)的抗回火性能，延長了板牙的使用壽命。

7.結(jié)語

形變熱處理工藝的應(yīng)用極為廣泛。從加工對(duì)象的角度看，它適用于各種不銹鋼、碳鋼、合金鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、鎳基合金等幾乎所有的金屬材料。從加工方法上看，它能使兩者結(jié)合起來，達(dá)到對(duì)零件及韌性等方面的特殊要求，從而使形變構(gòu)件質(zhì)量，壽命得到很大提升。形變熱處理前途光明。