匀速冷却介质及其在锻后控制冷却过程中的应用

摘要

一种锻钢件锻后控制冷却的方法。本发明属于钢材锻造及热处理领域。其特征是将锻件工件浸入匀速冷却介质中冷却，冷却过程以表面不发生非平衡态组织为原则，根据材料及工件大小可采用冷却到合适温度再均温的冷却方式或其它冷却方式。这种锻后控制冷却方法可解决现行锻坯组织粗大、带状组织等遗传组织及组织不均匀的问题。可保证锻坯的硬度均匀性，推动干切技术的推广；同时改善热处理后产品各向异性、冲击韧性等力学性能；改善热前组织均匀性，可有效配合热处理变形控制。

说明书

技术领域

本发明涉及钢材锻件锻造及热处理领域，具体涉及钢材锻件锻造后冷却领域。

背景技术

铸造、锻造、热处理属于高能耗、高污染的三种热加工工序，三者之间存在紧密的相辅 相成的关系，但目前国内机械行业三者之间存在明显的割裂问题，不能进行有效配合。可以 简单理解为，铸后冷却、锻后冷却同淬火冷却是存在必然联系的，通过有效配合，可大幅减 少后续热处理的工序，如退火、正火等，减少热处理的能耗。

目前困扰热处理的主要问题是力学性能不足和变形问题，热处理的质量控制其实是个系 统工程，如核电转子的低温冲击性能、渗碳齿轮的变形控制问题，仅仅通过热处理装备和热 处理工艺方法并不能有效解决，需要各个工艺环节进行有效配合。力学性能问题要从材料纯 净度、冶金、锻造、热处理进行系统解决，从细化晶粒，阻断组织遗传、组织均匀层面进行 有效的工艺控制；热处理变形是由于工艺控制过程的很多“不均匀”的因素导致。如冶金成 分不均匀，热前组织（预处理）不均匀，受力不均匀(机加应力、自重力)，加热不均匀，冷 却不均匀等，这些“不均匀”的因素导致组织转变的同时性变差，各种应力分布不均，从而 导致产品的变形难以有效控制。因此，上述两个案例不是能简单通过热处理设备、工艺或淬 火冷却就能够解决的，需要协调各个生产工艺环节的问题。

力学性能不足和变形问题都跟相关冷却工艺存在直接的关系，传统上我们一直关注淬火 冷却，认为性能不足或变形是直接由淬火冷却导致。这是一个误区，铸后冷却、锻后冷却同 淬火冷却是密切相关的，铸后、锻后的遗传组织通过热处理是无法有效解决的，需通过合理 的铸后控冷和锻后控冷工艺改善甚至消除遗传组织，为最终热处理做好组织准备，只有这样 才能保证产品的最终内在质量。

通过铁碳相图可以比较直观的分析出本质的原因，平衡态的组织状态对于最终产品的性 能并没有益处，期望得到组织细密的准平衡态组织，如果能得到100%的伪共析组织，对于后 续产品的力学性能和变形控制都具有积极的意义。铸造和锻造过程中若冷却缓慢，不可避免 产生碳及合金元素的扩散，最终产生显微偏析。因常规热处理温度较低，固态扩散能量不足， 显微偏析问题不可能有效解决。

目前机械行业普遍存在力学性能不足的问题，其中带状偏析和心部组织过热带来的问题 尤为突出。

这种冶金或锻造遗传组织跟两相区的冷却过程密切相关，该遗传组织对于产品的质量及 服役寿命产生极大的危害：

（1）造成产品力学性能具有明显的各向异性，如横向和纵向的强度具有较大的差距；

（2）冲击韧性较差，在恶劣的服役环境下产品寿命较差；

（3）带状偏析作为一种“不均匀”的因素，导致在加热和冷却过程中组织转变的均匀性 较差，从而增大热处理变形的倾向。

实际上我们一般观察到得带状组织主要是锻后冷却过程中高温奥氏体沿加工方向延伸的 原始枝晶偏析基础上相变形成的“二次带状”，即只有在“一次带状”的基础上才能形成“二 次带状”。

常见的带状组织缺陷本质上是由于铸造成型过程中的枝晶偏析引起，该显微偏析在轧制 或锻造成型过程中沿轧制方向遗传下来，这种带状组织在冶金上称之为“一次带状”。这种带 状偏析可通过提高终锻温度、增大锻造比、扩散退火等方法来减轻或避免。

锻后冷却过程中，当温度在Ar₃～Ar₁二相区之间时，钢的显微组织为先共析铁素体和过冷 奥氏体。钢中一般均含有一定量的Mn、Cr、Ni、Mo等元素，这些元素均能显著增加过冷奥氏 体在珠光体区的稳定性，增长了相变孕育期，也减慢了珠光体的形成速度，但对先共析铁素 体的析出速度影响较小。当从高温状态下冷却时，先共析铁素体优先在相当于较纯的原枝晶 干部位的奥氏体晶界析出，同时碳向周围的奥氏体区扩散，温度越高、冷却速度越慢，碳扩 散越充分，扩散距离越远，所以形成的铁素体条带明显。这个过程在奥氏体化后的冷却过程 中发生，冷却越慢，先共析铁素体转变越充分，碳元素分布越不均匀，带状组织越严重，这 类带状就是“二次带状”。存在带状偏析的工件，在常规热处理过程中碳和合金元素的奥氏体 均匀化是相当困难的，例如碳的均匀化需要950℃以上，而合金元素则需要1100℃以上。

一般把锻（轧）后控制冷却过程分为三个阶段,称为一次冷却、二次冷却、三次冷却(空 冷),在这三个冷却阶段中其冷却目的和要求是不同的。

一次冷却为从终轧温度开始到变形奥氏体向铁素体开始转变温度Ar3温度范围内的冷却 控制,即控制冷却的开始温度、冷却速度及终止温度。这一阶段是控制变形奥氏体的组织状态, 阻止奥氏体晶粒长大,固定因变形引起的位错,降低相变温度,为相变做组织上的准备。

二次冷却为从相变开始温度Ar3到相变结束温度范围内的冷却控制。主要是控制钢材相 变时的冷却速度和停止控冷的温度,即通过控制相变过程,保证钢材快冷后得到所需要的金相 组织和力学性能，对低碳钢、低合金钢、微合金化低合金钢,轧后一次冷却和二次冷却可连续 进行,终了温度可达珠光体相变结束,然后空冷,所得金相组织为细铁素体和细珠光体及弥散 的碳化物。三次冷却(空冷)，是相变后至室温范围内的冷却。

目前锻后冷却方式一是采用沙冷、坑冷、空冷等粗放式的冷却方式，两相区冷却速度相 对缓慢，易造成带状组织的恶化和晶粒粗大等缺陷，严重影响热后的最终力学性能，同时容 易获得或部分获得马氏体、贝氏体、魏氏体组织，表面硬度较高且散差大，不利于切削加工， 典型组织如图1所示；二是采用强制风冷方式（如等温正火），但同时存在冷却均匀性差的问 题，使其锻坯表层的组织不均匀性，主要是上述冷却方式不能保证同炉不同工件和同一工件 不同截面冷却的均匀性，工件迎风面和背风面冷却性能对比如图2所示。风速越快，冷却的均 匀性就越差，只能通过减少装炉量和增加工件的间距来改善。同时风冷速度对于锻坯的表面 温度非常敏感，随着表面温度的降低而迅速降低，不能保证冷却的均匀性。此外，因为空气 的热容小，风温的波动避免，风温高低对于风冷速度的影响会进一步恶化冷却均匀性。

发明内容

发明目的：提供控制锻后冷却的匀速冷却介质以及相乎配合的工艺方法，改善冶金和锻 造遗传组织，解决力学性能各向异性、低温冲击性能差、热处理变形大、干切技术难以推广 等困扰机械行业发展的技术难题。

技术方案：发明原理，要解决带状偏析的问题，首先必须从根本解决两相区高温扩散的 问题。在锻造温度可有效改善“一次带状”，锻造完成后如果加快经过二相区的速度，控制先 共析铁素体的析出，减慢碳的扩散速度，使铁素体长大受阻，富碳的铁素体小岛众多且分散 分布，这样就可以有效减轻“二次带状”，所以高温奥氏体化后的高温阶段冷却速度是控制带 状组织的关键因素。

实现锻坯奥氏体化后的快速冷却至等温温度是“锻后控冷”工艺中的关键，类似于中小 齿轮行业应用的等温正火工艺，尽量缩短两相区的高温扩散过程。在保证表面和小截面部位 不发生马氏体或贝氏体相变的前提下，表面冷却到尽量低的温度，然后转入均温炉中保温， 使工件最终完成珠光体转变。均温温度需配合机加工的硬度要求选择合适的温度，并根据材 料的奥氏体稳定性选择合适的保温时间。工件采用“匀速冷却介质”冷却后，控制适当的出 液温度，通过“匀速冷却介质”快速冷却等形式可以有效抑制先析相的析出，形成伪共析组 织，这样就可以有效避免带状组织。典型工艺路线如图3所示。

“匀速冷却介质”应用于控制钢材锻件锻造后的冷却速度，代替传统的沙冷、空冷、风 冷、雾冷等传统方式，后续简称为“锻后控冷”。根据不同钢材材料、尺寸选择不同的介质浓 度，并配合以合适的出液温度及后续冷却或保温方式，控制心部和表面的冷却过程，尽量减 少锻件心部两相区的扩散，同时避免表面发生马氏体转变。

通过图4、图5、图6可以看出，“匀速冷却介质”通过浓度控制，可以得到介于空气 和油之间的冷却能力，20%-30%浓度的“匀速冷却介质”，500℃以上避免沸腾冷却阶段的产生。 通过浓度控制500℃以上平均冷却能力控制在10-30℃/S。冷却过程中主要以辐射和对流的方 式进行，保证冷却的均匀性。

锻件产品锻后直接在该“匀速冷却介质”浸冷，冷却过程中主要以辐射和对流的方式进 行，能够保证冷却的持续性和均匀性。可协调表面和心部的冷却过程，能够有效控制锻后“二 次偏析”，改善心部组织粗大等问题，为后续热处理做组织准备。

有益效果：

（1）改善热处理后产品各向异性、冲击韧性差力学性能问题；

（2）改善热前组织均匀性，可有效配合控制热处理变形；

（3）保证锻坯的硬度均匀性，推动干切技术的推广；

（4）在保证力学性能的前提下，实现锻件调质热处理的能耗降低30%以上；

（5）“匀速冷却介质”具有清洁环保、无污染的特点，改善生产现场的操作环境，保证 生产安全（减少灼伤）；

（6）代替传统粗放式的冷却方式，如雾冷、热风冷等，降低能耗；

（7）减少相关辅助设备的成本投入。

附图说明

图1常见带状组织及组织粗大

图2工件迎风面和背风面冷却性能对比

图3锻后控制冷却示意图

图4空气与20%匀速冷却介质冷却特性比较

图5淬火油与20%匀速冷却介质冷却特性比较

图6不同浓度匀速冷却介质冷却特性比较（10%、20%、30%）

图7实例1中前轴示意图

图8锻后空冷热前组织

图9锻后匀速冷却介质冷却热前组织

图10锻后空冷热后组织

图11锻后匀速冷却介质冷却热后组织

具体实施方式

本发明专利中，锻后控制冷却的关键是锻坯从终锻温度到Ar1温度区间的冷却速度，抑 制碳和合金元素的长程扩散，防止晶粒长大和先析相的大量生成。具体包括前期匀速介质冷 却、均温转变和均温后冷却三个阶段。

本发明要将锻件产品从终锻温度以比风冷更快且更均匀的方式冷却下来，因此采用匀速冷 却介质对锻坯进行高温阶段的冷却，锻坯浸入到匀速冷却介质的稀释液中，因水的热容比空 气大很多，所以冷却速度更快，能够保证高温阶段的冷却速度。锻坯浸入到匀速冷却介质中， 工件表面之间介质接触，同时匀速冷却介质的流动性很好，整个工件的不同表面都能直接进 行冷却，避免风冷冷却“死角”和不均匀的问题，保证了工件冷却的均匀性。

本发明具体操作过程如下：

1、将终锻完成的锻坯浸入到匀速冷却介质中，冷却到Bs（Ms）和Ac1温度区间时出液， 原则是表面不能产生非平衡态组织转变（如贝氏体、马氏体等）。

2、出液工件立即转移到均温炉中保温，均温时间以完成平衡态组织转变为原则，均温温 度配合机加工和组织要求进行确定。淬透性差的材料也可出液后直接进行空冷。

3、三次冷却阶段，可采用空冷或其它冷却方式冷却到室温。

本发明专利中，匀速冷却介质为高分子聚合物的水溶液，其中聚乙烯基吡咯烷酮占5-15%， 羧甲基纤维素钠占3-8%，聚丙烯酸钠0-3%,其它各类添加剂占3-8%，其余为水。其中聚乙烯 基吡咯烷酮由N-乙烯基与吡咯烷酮聚合而成，5万-36万（最佳为10万-20万）。匀速冷却介 质为PVP-CMC和PVP-CMC-ACR体系，包括但不限于上述比例范围。使用不同的配比，可以获 得不同的冷却能力，以及不同的均匀冷却温度范围。

以下针对两个实例对该发明进行说明。

实例1：20CrMnTi后桥被动齿坯，外径480mm，有效厚度50mm左右，选取10件进行锻后 控制冷却，锻后直接放入25%匀速冷却介质中浸冷，同传统空冷方式进行对比。终锻温度980℃ 左右，采用红外仪进行出液温度判断，出液温度控制在500-600℃，然后转移到640℃均温炉 中保温，均温时间2小时，最后空冷至室温。匀速冷却介质的原液按以下配方进行配制：聚 乙烯基吡咯烷酮占8%，羧甲基纤维素钠（CMC）占5%，三乙醇胺3%（防锈剂），高碳醇类消 泡剂1%，异噻唑啉酮1%（杀菌剂），其余为水，其中聚乙烯基吡咯烷酮分子量15万-20万。 分别检测锻坯表面的硬度均匀性、表面的带状组织和晶粒度、心部的带状组织和晶粒度，测 试对比结果见表1。

表1匀速冷却介质同传统空冷测试结果对比

通过与空冷方式对比发现，采用25%浓度的匀速冷却介质，齿坯的表面硬度均匀性要好很多， 在6HB范围内；同时心部能够有效抑制带状偏析。

实例2：45#钢前轴（见图7），拳头部位有效厚度100mm左右，工字梁部位有效厚度20-30mm， 传统方式采用锻后空冷或风冷的方式冷却，然后进行调质处理（淬火加高温回火）。调质处理 后要求皮下10mm组织要求1-4级（检测标准GB/T13320），但采用传统方式一直存在魏氏体、 网状铁素体等遗传组织问题，通过后续的热处理工艺调质无法从根本上解决组织不合格问题， 一般控制在4-5级。

前轴锻后之间浸入到20%匀速冷却介质中，采用红外仪进行出液温度判断，出液温度控制 在100-200℃，然后空冷至室温。匀速冷却介质的原液按以下配方进行配制：聚乙烯基吡咯 烷酮占5%，羧甲基纤维素钠（CMC）占3%，三乙醇胺2%（防锈剂），异噻唑啉酮1%（杀菌剂）， 其余为水，其中聚乙烯基吡咯烷酮分子量15万-20万。分别对空冷和匀速冷却处理的工件进 行热前和热后的金相检测（取样位置皮下10mm）。图8为传统空冷后热前组织状态，图9为 匀速冷却介质冷却后热前组织状态，图10为传统空冷后热后组织状态，图11为匀速冷却介 质冷却后热后组织状态。

通过对比发现经20%匀速冷却介质处理后，避免了晶粒粗大，网状铁素体和魏氏体有效 消除，后续热处理中避免遗传组织影响，完全满足产品调质技术要求。