一种钢的锻造余热正火方法

摘要

一种钢的锻造余热正火方法，是实施在线锻造余热控锻控冷等温正火处理。包括：钢的控锻，即控制钢的锻造温度和锻造变形度，通过奥氏体变形与再结晶导致细化晶粒；钢的控冷，根据金属学和热处理原理；控制钢的各临界温度的冷却速率、冷却均匀性和冷却效率，钢冷却至临界温度等温保持，过冷奥氏体在此温度范围转变完毕，得到细的晶粒组织，等温保持后控冷，即等温保持后控制冷却速率、冷却均匀性和冷却效率及冷却终止温度，获得组织和力学性能达标的正火方法。本发明能节约能源和资源，提高正火处理质量，降低正火处理成本，减轻工人劳动强度，提高劳动生产率，提前工期。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钢的热处理方法，尤其涉及一种钢的锻造余热控锻控冷等温正火方法。

背景技术

传统钢的等温正火处理耗能大、质量不稳定、时有出现混晶、成本高、工人劳动强度繁重、工期长；由节能减排、绿色低碳的要求，对废热的多次利用，特别是对锻造余热的多次利用；由于锻造余热正火处理，质量技术指标难以达标，且该问题能够采用本发明的技术方案进行解决。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的目的在于提供一种锻压机后接余热钢的正火处理生产线，实施在线锻造余热控锻控冷等温正火处理，本发明克服了现有技术中的不足，该方法利用钢的锻造余热，热量不需要重新加热获得，省去了再加热工序，节约能源和资源，提高正火处理质量：

(一)解决钢的锻造余热正火后，质量技术指标难以达标的难题；

(二)本发明控锻控冷的变形应力促使Ms点上升，提高钢的淬透性，以本发明作为淬火的预备热处理，具有以下优点：

(1)采用降低冷却速度的淬火方法，对防止淬火裂纹和减少畸变量是有益的；

(2)淬火加热温度采用下限温度，对细化淬火后组织，防止淬火裂纹和减少畸变量是有益的，并且节约能源，延长热处理设施的使用寿命；

(3)贝氏体等温淬火不需要提高淬火加热温度，对细化淬火后组织，防止淬火裂纹和减少畸变量是有益的，并且节约能源，延长热处理设施的使用寿命。

钢的传统等温正火是将钢加热奥氏体化，均温后钢快速冷却通过正火温度至钢的临界温度，进入加热炉内进行有能量补充的等温保持，过冷奥氏体在此温度范围转变完毕，得到较细的晶粒组织，然后空冷，获得较好的切削加工性能和力学性能的正火方法；

本发明是锻压机后接余热钢的正火处理生产线，实施在线锻造余热控锻控冷等温正火处理，钢的锻造余热，即利用钢的锻造余热，钢的控锻，即控制钢的锻造温度和锻造变形度，通过奥氏体变形与再结晶导致细化晶粒，钢的控冷，根据金属学和热处理原理，控制钢的各临界温度的冷却速率、冷却均匀性和冷却效率，钢冷却至正火温度，快速冷却通过正火温度至钢的临界温度，进入缓冷箱进行无能量补充的等温保持，过冷奥氏体在此温度范围转变完毕，得到细的晶粒组织，等温保持后控制冷却速率、冷却均匀性和冷却效率及冷却终止温度，获得组织和力学性能达标的正火方法。

本发明是这样实现的，以中碳结构钢(含中碳低合金非调质钢，下同)为例，其特征是方法为：

1.钢的锻造余热，它是利用钢的锻造余热，热量不需要重新加热获得，省去再加热工序。

2.钢的控锻为控制钢的锻造温度和锻造变形度；

(一)控制钢的锻造温度：

(1)钢的锻造加热温度TA按钢的通常锻造加热温度和始锻温度确定；

由于钢的变形温度高于变形奥氏体的再结晶温度，锻造加热温度应减缓奥 氏体因动态和静态再结晶晶粒长大的过程，以减小加热时奥氏体晶粒粗化，因此，在保证锻造成形的前提下，钢的锻造加热温度TA按钢的通常锻造加热温度和始锻温度确定；

钢的锻造加热温度TA按下式计算：

TA＝(T_SD+20)℃

式中T_SD——钢的通常始锻温度；

(2)SB为钢的锻造在奥氏体再结晶温度范围锻造，钢在热变形过程中，通过变形与再结晶导致奥氏体晶粒细化；

(3)钢的始锻温度S点按钢的通常始锻温度确定；

由于钢的变形温度高于变形奥氏体的再结晶温度，始锻温度应减缓奥氏体因动态和静态再结晶晶粒长大的过程，使始锻温度减小奥氏体晶粒粗化，因此，在保证锻造成形的前提下，始锻温度S点按钢的通常始锻温度确定；

(4)钢的终锻温度按比钢的奥氏体化温度高确定；

B点温度——钢的终锻温度T_ZD用下式表示：

T_ZD≥(T_A+40)℃

式中T_A——钢的奥氏体化温度；

B点温度为T_ZD≥(T_A+40)℃，这是由于B点是终锻温度，亦是锻后变形奥氏体进行再结晶的起始点，B点温度大于最低的变形奥氏体再结晶温度T₉₅，在此温度至少发生95％的再结晶，使奥氏体充分再结晶，有利于得到细化、均匀、等轴的奥氏体晶粒；

(二)控制钢的锻造变形度：

钢的锻造变形度为通过奥氏体变形与再结晶获得均匀、细化、等轴的奥氏 体晶粒，避免临界变形度和大的变形度，防止晶粒粗化。

钢的锻造变形度每道次采用25～40％：

当钢的锻造变形度每道次为25％，Ar₁温度雾冷，C-曲线鼻部等温保持正火后，锻件金相组织达到GB/T13220-2007第一组评级图1～4级合格的要求；

当钢的锻造变形度每道次为40％，Ar₁温度雾冷，C-曲线鼻部等温保持正火后，锻件金相组织达到GB/T13220-2007第一组评级图1～4级合格的要求；

当钢的锻造变形度每道次为30％，Ar₁温度雾冷，C-曲线鼻部等温保持正火后，锻件金相组织达到GB/T13220-2007第一组评级图1～4级合格的要求；

通过奥氏体变形与再结晶获得均匀、细化、等轴的奥氏体晶粒，避免临界变形度和大于70％的大变形度，防止晶粒粗化；这是由于：

(1)变形度小于20％，存在微小回复和再结晶阶段，快速进入晶粒长大阶段；

(2)变形度小，锻造加热时奥氏体晶粒已粗化，小于20％的变形度造成局部变形，再结晶晶粒粗细不均；

(3)在大于70％变形度的过程中，内摩擦使锻件温度增高，促使再结晶晶粒长大；

(4)在大于90％变形度的过程中，内摩擦使锻件温度增加过高，引起二次再结晶，导致晶粒异常粗大。

3.钢的控冷为控制钢的各临界温度的冷却速率、冷却均匀性和冷却效率；

(一)钢从终锻温度冷却至钢的正火温度；

(1)钢从B点温度——T_ZD≥(T_A+40)℃冷却至C点温度——钢的正火温度，Y点为移动的，BY为缓慢冷却，YC为较快冷却，这是由于：

1)使钢的变形奥氏体充分再结晶，得到细化、均匀、等轴的奥氏体晶粒，晶粒尺寸分布越窄越有利于抑制晶粒粗化，以免出现混晶；

2)钢的冷却速度由钢表面与冷却介质的能量差造成，能量差大的冷却速度大，反之，冷却速度小，所以，在同一冷却介质中，钢的温度高的冷却速度大于温度低的冷却速度，经过BC的冷却，其中BY为缓慢冷却，YC为较快冷却，锻件至C点温度为钢的正火温度；

(2)C点温度为钢的这是由于比亚共析钢的通常正火温度高(20～50)℃，比亚共析钢消除锻件魏氏组织的高温正火温度低50℃，高温正火可以消除锻件魏氏组织，减小带状组织造成的压延纵向与横向力学性能差别，正火温度采用及随后的较快冷却和Ar₁温度的快速冷却，造成应力大，硬度高，为获得适宜的切削加工性能，同时消除锻件魏氏组织；

(3)BC冷却时间B₁C₁不大于60秒，即Y₁点随Y点移动而移动，BY缓慢冷却时间B₁Y₁与YC较快冷却时间Y₁C₁的和不大于60秒，钢锻造后停留时间长会引起奥氏体晶粒的长大，这是由于钢锻造后第一阶段为回复，第二阶段为再结晶，第三阶段为晶粒长大；

第三阶段晶粒长大时间y用下式表达：

y＝x-(τ₁+τ₂)

式中X——锻后停留时间，

τ₁——第一阶段回复时间，

τ₂——第二阶段再结晶时间；

1)当X-(τ₁+τ₂)＝0时，再结晶阶段刚刚结束，得到的是无畸变的等 轴再结晶初始晶粒；

2)当X-(τ₁+τ₂)＜0时，再结晶不充分，不能得到细化、均匀、等轴的晶粒；

3)当X-(τ₁+τ₂)＞0时，当τ₁+τ₂为定值，变量X值大时，则y值亦大，所以第三阶段晶粒长大时间长，导致晶粒粗化；

(二)快速冷却通过钢的正火温度；

(1)CD为较快冷却，从钢的较快冷却至Ar₁温度，这是由于锻后在正火温度冷却速度慢，造成晶粒粗化；

D点温度为钢的Ar₁+(30～40)℃；

(2)DE为缓慢冷却，这是由于CD为较快冷却，其冷却速度大于缓慢冷却速度，造成锻件温度场偏差，心部温度高于表面温度，根据事物内部是高能量向低能量状态转移的变化规律，通过热传导，锻件温度场处于亚平衡状态，此时缓慢冷却起均匀温度和降温的作用：

1)提高下一步EF快速冷却的均匀性、冷却速率和冷却效率；

2)阻止下一步EF快速冷却造成锻件表面发生贝氏体转变，以获得适宜的切削加工性能；

E点温度为钢的Ar₁+(20～30)℃；

(3)EF为快速冷却，这是由于：

1)冷却速度对钢正火后组织影响的一般规律是：冷却速度大，奥氏体分解温度低，珠光体转变产物细小，为使钢的锻造余热控冷正火金相组织达到GB/T13320-2007第一组评级图1～4级合格的要求；

2)为快速通过钢的Ar₁温度，防止在先共析铁素体晶界上出现粗大组织；

F点温度为钢的Ar₁—(0～10)℃；

(4)FG为缓慢冷却，这是由于EF为快速冷却，其冷却速度大于较快冷却速度，造成锻件温度场大的偏差，心部温度高于表面温度，根据事物内部是高能量向低能量状态转移的变化规律，通过热传导，锻件温度场处于亚平衡状态，此时缓慢冷却的作用：

1)起均匀温度的作用；

(i)提高下一步GH较快冷却的均匀性、冷却速率和冷却效率；

(ii)阻止下一步GH较快冷却造成锻件表面发生贝氏体转变，以获得适宜的切削加工性能；

2)均匀温度后的降温和缓慢冷却的共同作用，快速通过钢的Ar₁温度；

G点温度为钢的Ar₁—(10～20)℃；

(5)GH为较快冷却，H点温度为钢的Ar₁—(20～30)℃，此点为快速通过钢的Ar₁温度结束；

(6)HJ为缓慢冷却，这是由于缓慢冷却起均匀温度和降温的作用，以准确的温度进入无能量补充的等温保持；

J点是锻件进入缓冷箱进行无能量补充等温保持的开始，为从入缓冷箱J点温度至鼻尖“上C-曲线”温度等温保持至少20分钟，使过冷奥氏体转变成珠光体，不致等温温度在20分钟内进入鼻尖“下C-曲线”温度，阻止发生贝氏体转变，获得适宜的切削加工性能：

1)J点温度为钢的C-曲线鼻尖部温度T_P+(40～90)℃，并且满足钢的Ar₁－(30～80)℃，抵消钢件在缓冷箱中有少量热量散失的降温和在缓冷箱中等温保持的温度缓慢递减；

2)缓冷箱保温性能好；

3)锻件进入缓冷箱后立即自动关闭缓冷箱入口，以减少热量从入口处散失，保存余热进行等温保持，犹如保温瓶倒出热水后，立即将保温瓶塞盖住瓶口，以减少热量从瓶口处散失。

4.钢的等温正火为在钢的临界温度等温保持进行正火处理；

钢快速冷却通过正火温度至钢的临界温度——C-曲线鼻部温度，在钢的C-曲线鼻部温度等温保持进行正火处理；

(一)JK为等温保持，这是由于：

(1)钢的过冷奥氏体在此温度范围转变完毕，获得细的珠光体组织；

(2)冷却速度对钢正火后性能影响的一般规律是：冷却速度大，应力大，硬度高，钢的锻造余热控锻控冷等温正火后，金相组织达到GB/T13320-2007第一组评级图1～4级合格的要求，为消除在钢的Ar₁温度快速冷却造成的应力大、硬度高，从而获得适宜的切削加工性能；

(3)钢的Ar₁温度未采用快速冷却，而采用较快冷却，又未在钢的C-曲线鼻部温度等温保持，正火处理后，金相组织粗大，为GB/T13320-2007第一组评级图的7级；

(4)得到平衡组织，经钢的锻造余热控锻控冷等温正火处理得到的平衡组织，消除钢的粗大晶粒非平衡组织在通常淬火温度加热时，重新获得粗大晶粒的组织遗传性；经钢的锻造余热控锻控冷等温正火处理得到的粗大晶粒平衡组织，在通常淬火温度加热时，不发生组织遗传，而获得细小晶粒组织，保证最终热处理质量；

(5)钢的锻件控锻后冷却至氢溶解度小而扩散系数大的C-曲线鼻部温度等 温保持，进行脱氢处理；

(6)增加废热利用次数，提高锻造余热正火处理的余热利用率；

(二)K点温度为(400～550)℃；

(三)J₁K₁为等温保持时间；

(1)从第一件锻件至最后一件锻件进入缓冷箱，间隔时间为(90～100)分钟，这是由于锻件在钢的Ar₁以下温度长期保温，会在先共析铁素体晶界上出现粗大组织；

(2)等温保持时间以最后一件锻件进入缓冷箱时开始计算等温保持时间，等温保持时间J₁K₁为60分钟。

5.钢的等温保持后控冷为钢的等温保持后控制冷却速率、冷却均匀性和冷却效率及冷却终止温度；

控制钢出缓冷箱后的冷却速率、冷却均匀性和冷却效率及冷却终止温度。

KL为出缓冷箱缓慢冷却至室温。

钢的锻造余热控锻控冷等温正火方法，以中碳结构钢为例，描述实现本发明的技术方案和原理，得到的功能，本发明亦适用其他钢种，其他钢种为得到本钢种经本发明处理后的功能，其特征、技术方案、原理、得到的功能相同之处，不再描述，不同之处描述如下：

(一)为改善低碳钢(含低碳低合金钢)的切削性能，由钢的正火温度Ac₃+(40～80)℃较快冷却至钢的Ar₃+(10～30)℃，在缓冷箱中等温保持至钢的Ar₁－(10～30)℃，出缓冷箱较快冷却至室温，以提高钢的硬度到适宜切削加工的范围，切屑易折断，防止缠绕在工件或刀具上，提高切削加工生产率。

(二)为有效抑制过共析钢渗碳体网的形成，为球化退火做组织准备，使球化退火易予进行，以稳定球化退火质量，获得细小、均匀分布的碳化物和球化组织，由钢的正火温度Acm+(30～50)℃快速冷却至：

(1)钢的C﹣曲线鼻尖部温度Tp+(10～30)℃，在缓冷箱中等温保持至钢的C﹣曲线鼻尖部温度Tp－(10～30)℃，出缓冷箱缓慢冷却至室温，防止产生裂纹，减少畸变量；

(2)钢的C﹣曲线鼻尖部温度Tp±(10～30)℃，在缓冷箱中等温保持0秒，立即转入球化退火处理；这是由于快速冷却抑制渗碳体网的形成，立即转入球化退火处理，对快速冷却的过共析钢进行加热，终止了连续冷却，在球化退火过程中需要等温保持以球化；

(3)凡不立即转入球化退火处理的须在缓冷箱中，由钢的C﹣曲线鼻部温度Tp+(10～30)℃等温保持至Tp－(10～30)℃，出缓冷箱缓慢冷却至室温；这是由于不立即转入球化退火，未对快速冷却的过共析钢进行加热，即未终止连续冷却，为防止产生裂纹，减少畸变量，须在缓冷箱中，由钢的C﹣曲线鼻尖部温度Tp+(10～30)℃等温保持至Tp－(10～30)℃，出缓冷箱缓慢冷却至室温。

(三)结构钢表面淬火后，正火预备热处理与调质预备热处理，两者的强度性能，疲劳寿命无明显差别；为简化工艺，用正火预备热处理代替昂贵、高能耗的调质预备热处理，由钢的正火温度Ac₃+(40～80)℃较快冷却至钢的Ar₁+(20～40)℃，快速冷却至钢的C﹣曲线鼻部温度Tp+(30～50)℃，在缓冷箱中等温保持至钢的C﹣曲线鼻部温度Tp－(30～50)℃，出缓冷箱较快冷却至室温。

(四)为使低碳钢(含低碳低合金钢)大型锻件得到数量少的铁素体和数 量多、组织细的珠光体，强度、塑性和低温韧性均得到提高，由钢的正火温度Ac₃+(30～50)℃急速冷却至钢的C﹣曲线鼻部温度Tp+(10～30)℃，在缓冷箱中等温保持至钢的C﹣曲线鼻部温度Tp－(10～30)℃，出缓冷箱急速冷却至(180～240)℃，然后在静止的空气中冷却至室温；避免大型锻件表面因急速冷却产生淬火马氏体的第二类回火脆性。

6.钢的锻造余热控锻控冷等温正火方法，其特征是，钢的各临界温度为锻件表面温度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：节约能源和资源，提高正火处理质量，降低正火处理成本，减轻工人劳动强度，提高劳动生产率，提前工期。

附图说明

图1 本发明中碳结构钢锻造余热控锻控冷等温正火方法流程图，横坐标表示时间，纵坐标表示温度；

图2 本发明阻止发生贝氏体转变冷却工艺进程设计示意图，横坐标表示时间，纵坐标表示温度，C为锻件心部温度，S为锻件表面温度，T_cst为开始冷却温度，B_s为贝氏体转变开始温度；

图3 中碳结构钢传统等温正火示意图，横坐标表示时间，纵坐标表示温度；

图4 本发明中碳结构钢锻造余热控锻控冷等温正火示意图，横坐标表示时间，纵坐标表示温度；

图5 GB/T13320-2007第一组评级图为8级，珠光体+铁素体，魏氏体组织，放大倍数100×的金相图谱；

图6 中碳结构钢传统等温正火处理锻件金相组织为8级，珠光体+铁素体，混合晶粒，魏氏体组织，放大倍数100×的金相图谱；

图7 GB/T13320-2007第一组评级图为7级，珠光体+网状铁素体，混合晶 粒，有魏氏体组织，放大倍数100×的金相图谱；

图8 中碳结构钢锻造余热正火，锻造变形度每道次为25％，Ar₁温度风冷，C-曲线鼻部未等温保持，锻件金相组织为7级，珠光体+网状铁素体，混合晶粒，有魏氏体组织，放大倍数100×的金相图谱；

图9 GB/T13320-2007第一组评级图为6级，珠光体+铁素体，有魏氏体组织，放大倍数100×的金相图谱；

图10 中碳结构钢锻造余热正火，锻造变形度每道次为25％，Ar₁温度风冷，C-曲线鼻部等温保持，锻件金相组织为6级，珠光体+铁素体，有魏氏体组织，放大倍数100×的金相图谱；

图11 GB/T13320-2007第一组评级图为5级，珠光体+铁素体，晶粒不均匀，放大倍数100×的金相图谱；

图12 中碳结构钢锻造余热正火，锻造变形度每道次为30％，Ar₁温度风冷，C-曲线鼻部等温保持，锻件金相组织为5级，珠光体+铁素体，晶粒不均匀，放大倍数100×的金相图谱；

图13 GB/T13320-2007第一组评级图为4级，珠光体+铁素体，晶粒不均匀，放大倍数100×的金相图谱；

图14 本发明中碳结构钢锻造余热控锻控冷等温正火，锻造变形度每道次为25％，Ar₁温度雾冷，C-曲线鼻部等温保持，锻件金相组织为4级，珠光体+铁素体，晶粒不均匀，放大倍数100×的金相图谱；

图15 GB/T13320-2007第一组评级图为3级，珠光体+铁素体，晶粒碎化，放大倍数100×的金相图谱；

图16 本发明中碳结构钢锻造余热控锻控冷等温正火，锻造变形度每道次为 30％，Ar₁温度雾冷，C-曲线鼻部等温保持，锻件金相组织为3级，珠光体+铁素体，晶粒碎化，放大倍数100×的金相图谱；

图17 T_P+40℃、Ar₁－80℃的J点温度与T_P+90℃、Ar₁－30℃的J点温度数轴图，阴影部分为J点温度范围(620～660)℃；

图18 T_P+(40～90)℃与Ar₁－(30～80)℃的中间值T_P+(40+25)℃与Ar₁－(30+25)℃，J点温度数轴图，阴影部分为J点温度范围(635～645)℃。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

变形度：

从金属学的观点，在再结晶温度以上，不造成加工硬化的塑性变形过程叫做热变形加工。这是以金属在变形加工后是否产生加工硬化为依据的；其实金属在热变形过程中也会产生硬化，但由于热变形的温度远高于再结晶温度，变形所引起的硬化很快被同时发生的再结晶过程所消除。

变形度用下式计算：

$ϵ=\frac{H_0-H_1}{H_0}\times 100\%$

式中ε——变形度(％)；

H₀——热变形前的高度(mm)；

H₁——热变形后的高度(mm)。

传统钢的等温正火处理耗能大、质量不稳定，时有出现混晶(见附图5、6)、成本高、工人劳动强度繁重、工期长；

钢的传统等温正火是将钢加热奥氏体化，均温后快速冷却至C-曲线鼻部(孕育期最短)温度，进入加热炉内进行有能量补充的等温保持，过冷奥氏体在此 温度范围转变完毕，得到较细的晶粒组织，然后空冷，获得较好的切削加工性能和力学性能的正火方法，中碳结构钢传统等温正火示意图见附图3；

本发明是锻压机后接余热钢的正火处理生产线，实施在线锻造余热控锻控冷等温正火处理；钢的锻造余热，即利用钢的锻造余热，钢的控锻，即控制钢的锻造温度和锻造变形度，通过奥氏体变形与再结晶导致细化晶粒，钢的控冷，根据金属学和热处理原理，控制钢的各临界温度的冷却速率、冷却均匀性和冷却效率，中碳结构钢冷却至正火温度，快速冷却通过正火温度至钢的C-曲线鼻部(孕育期最短)温度，进入缓冷箱进行无能量补充的等温保持，过冷奥氏体在此温度范围转变完毕，得到细的晶粒组织，然后控制出缓冷箱的冷却速率、冷却均匀性和冷却效率及冷却终止温度，获得组织和力学性能达标的正火方法，本发明中碳结构钢锻造余热控锻控冷等温正火示意图见附图4。

所述的钢的各临界温度为锻件表面温度。

如图1所示，本发明是这样实现的，以中碳结构钢(含中碳低合金非调质钢，下同)为例，方法为：

钢的锻造余热，它是利用钢的锻造余热，热量不需要重新加热获得，省去再加热工序，节约能源和资源。

控制钢的锻造温度和锻造变形度；

(一)钢的锻造加热温度TA按钢的通常锻造加热温度和始锻温度确定；

由于钢的变形温度高于变形奥氏体的再结晶温度，锻造加热温度应减缓奥氏体因动态和静态再结晶晶粒长大的过程，以减小加热时奥氏体晶粒粗化，因此，在保证锻造成形的前提下，钢的锻造加热温度TA按钢的通常锻造加热温度和始锻温度确定；

钢的锻造加热温度TA按下式计算：

TA＝(T_SD+20)℃

式中T_SD——钢的通常始锻温度；

例55钢的通常锻造加热温度为(1200～1250)℃、钢的通常始锻温度T_SD值为(1180～1220)℃,则:

TA＝(T_SD+20)℃＝(1180～1220)℃+20℃＝(1200～1240)℃；

(二)SB为钢的锻造在奥氏体再结晶温度范围锻造，钢在热变形过程中，通过变形与再结晶导致奥氏体晶粒细化；

(三)钢的始锻温度S点按钢的通常始锻温度确定；

由于钢的变形温度高于变形奥氏体的再结晶温度，始锻温度应减缓奥氏体因动态和静态再结晶晶粒长大的过程，使始锻温度减小奥氏体晶粒粗化，因此，在保证锻造成形的前提下，始锻温度S点按钢的通常始锻温度确定；

(四)钢的终锻温度按比钢的奥氏体化温度高确定；

B点温度——钢的终锻温度T_ZD用下式表示：

T_ZD≥(T_A+40)℃

式中T_A——钢的奥氏体化温度；

例55钢的奥氏体化温度为870℃，则：T_ZD≥(T_A+40)℃

T_ZD≥(870+40)℃

T_ZD≥910℃

B点温度为T_ZD≥910℃，这是由于B点是终锻温度，亦是锻后变形奥氏体进行再结晶的起始点，B点温度大于最低的变形奥氏体再结晶温度T₉₅，在此温度至少发生95％的再结晶，使奥氏体充分再结晶，有利于得到细化、均匀、等 轴的奥氏体晶粒；

(五)控制钢的锻造变形度：

钢的锻造变形度为通过奥氏体变形与再结晶获得均匀、细化、等轴的奥氏体晶粒，避免临界变形度和大的变形度，防止晶粒粗化。

钢的锻造变形度每道次采用25～40％：

当钢的锻造变形度每道次为25％，Ar₁温度雾冷，C-曲线鼻部等温保持正火后，锻件金相组织达到GB/T13220-2007第一组评级图1～4级合格的要求；

当钢的锻造变形度每道次为40％，Ar₁温度雾冷，C-曲线鼻部等温保持正火后，锻件金相组织达到GB/T13220-2007第一组评级图1～4级合格的要求；

当钢的锻造变形度每道次为30％，Ar₁温度雾冷，C-曲线鼻部等温保持正火后，锻件金相组织达到GB/T13220-2007第一组评级图1～4级合格的要求；

通过奥氏体变形与再结晶获得均匀、细化、等轴的奥氏体晶粒，避免临界变形度和大于70％的大变形度，防止晶粒粗化；这是由于：

(1)变形度小于20％，存在微小回复和再结晶阶段，快速进入晶粒长大阶段；

(2)变形度小，锻造加热时奥氏体晶粒已粗化，小于20％的变形度造成局部变形，再结晶晶粒粗细不均；

(3)在大于70％变形度的过程中，内摩擦使锻件温度增高，促使再结晶晶粒长大；

(4)在大于90％变形度的过程中，内摩擦使锻件温度增加过高，引起二次再结晶，导致晶粒异常粗大；

控制钢的各临界温度的冷却速率、冷却均匀性和冷却效率；

(六)钢从终锻温度冷却至钢的正火温度；

钢从B点温度——T_ZD≥910℃冷却至C点温度——钢的正火温度，Y点为移动的，BY为缓慢冷却——空冷，YC为较快冷却——空冷，这是由于：

(1)使钢的变形奥氏体充分再结晶，得到细化、均匀、等轴的奥氏体晶粒，晶粒尺寸分布越窄越有利于抑制晶粒粗化，以免出现混晶；

(2)钢的冷却速度由钢表面与冷却介质的能量差造成，能量差大的冷却速度大，反之，冷却速度小，所以，在同一冷却介质中，钢的温度高的冷却速度大于温度低的冷却速度，经过BC的冷却，其中BY为缓慢冷却——空冷，YC为较快冷却——风冷，锻件至C点的温度为钢的正火温度；

C点温度为钢的这是由于比亚共析钢的通常正火温度高(20～50)℃，比亚共析钢消除锻件魏氏组织的高温正火温度低50℃，高温正火可以消除锻件魏氏组织，减小带状组织造成的压延纵向与横向力学性能差别，正火温度采用及随后的较快冷却和Ar₁温度的快速冷却，造成应力大，硬度高，为获得适宜的切削加工性能，同时消除锻件魏氏组织；

BC冷却时间B₁C₁不大于60秒，即Y₁点随Y点移动而移动，BY空冷时间B₁Y₁与YC风冷时间Y₁C₁的和不大于60秒，钢锻造后停留时间长会引起奥氏体晶粒的长大，这是由于钢锻造后第一阶段为回复，第二阶段为再结晶，第三阶段为晶粒长大；

第三阶段晶粒长大时间y用下式表达：

y＝x-(τ₁+τ₂)

式中X——锻后停留时间，

τ₁——第一阶段回复时间，

τ₂——第二阶段再结晶时间；

当X-(τ₁+τ₂)＝0时，再结晶阶段刚刚结束，得到的是无畸变的等轴再结晶初始晶粒；

当X-(τ₁+τ₂)＜0时，再结晶不充分，不能得到细化、均匀、等轴的晶粒；

当X-(τ₁+τ₂)＞0时，当τ₁+τ₂为定值，变量X值大时，则y值亦大，所以第三阶段晶粒长大时间长，导致晶粒粗化；

(七)CD为较快冷却——风冷，从钢的风冷至Ar₁温度，这是由于锻后在正火温度冷却速度慢，造成晶粒粗化；

D点温度为钢的Ar₁+(30～40)℃；

(八)DE为缓慢冷却——空冷，这是由于CD为风冷，风冷速度大于空冷速度，造成锻件温度场偏差，心部温度高于表面温度，根据事物内部是高能量向低能量状态转移的变化规律，通过热传导，锻件温度场处于亚平衡状态，此时空冷起均匀温度和降温的作用：

(1)提高下一步EF快速冷却的均匀性、冷却速率和冷却效率；(2)阻止下

一步EF快速冷却造成锻件表面发生贝氏体转变，以获得适宜的切削加工性能；

E点温度为钢的Ar₁+(20～30)℃；

(九)EF为快速冷却——雾冷，这是由于：

(1)冷却速度对钢正火后组织影响的一般规律是：冷却速度大，奥氏体分解温度低，珠光体转变产物细小，为使钢的锻造余热控冷正火金相组织达到 GB/T13320-2007第一组评级图1～4级合格的要求；

(2)为快速通过钢的Ar₁温度，防止在先共析铁素体晶界上出现粗大组织；

中碳结构钢锻造余热正火，锻造变形度每道次为25％，Ar₁温度风冷，C-曲线鼻部等温保持，锻件金相组织为6级，见附图9、10；

中碳结构钢锻造余热正火，锻造变形度每道次为30％，Ar₁温度风冷，C-曲线鼻部等温保持，锻件金相组织为5级，见附图11、12；

EF采用风冷，风冷速度小于雾冷速度，风冷不及雾冷快速通过钢的Ar₁温度，等温正火后：锻造变形度每道次为25％，锻件金相组织为6级,锻造变形度每道次为30％，锻件金相组织为5级,均未达到GB/T13220-2007第一组评级图1～4级合格的要求；

本发明中碳结构钢锻造余热控锻控冷等温正火，锻造变形度每道次为25％，Ar₁温度雾冷，C-曲线鼻部等温保持，锻件金相组织为4级，见附图13、14；

本发明中碳结构钢锻造余热控锻控冷等温正火，锻造变形度每道次为30％，Ar₁温度雾冷，C-曲线鼻部等温保持，锻件金相组织为3级，见附图15、16；

EF采用雾冷，加速通过钢的Ar₁温度，等温正火后：锻造变形度每道次为25％，锻件金相组织为4级,锻造变形度每道次为30％，锻件金相组织为3级,均达到GB/T13220-2007第一组评级图1～4级合格的要求；

由于EF采用雾冷，等温正火后金相组织达标，而硬度超标，增加切削加工难度，为获得适宜的切削加工性能，从雾冷→风冷→等温保持，阻止发生贝氏体转变冷却工艺进程进行设计，见附图2；

控制表面(S)温度在贝氏体转变开始温度以上，即B_S线以上(20～30)℃，阻止发生贝氏体转变；

F点温度为钢的Ar₁—(0～10)℃；

(十)FG为缓慢冷却——空冷，这是由于EF为雾冷，雾冷速度大于风冷速度，造成锻件温度场大的偏差，心部温度高于表面温度，根据事物内部是高能量向低能量状态转移的变化规律，通过热传导，锻件温度场处于亚平衡状态，此时空冷的作用：

(1)起均匀温度的作用；

1)提高下一步GH较快冷却的均匀性、冷却速率和冷却效率；

2)阻止下一步GH较快冷却造成锻件表面发生贝氏体转变，以获得适宜的切削加工性能；

(2)均温后的降温和空冷的共同作用，快速通过钢的Ar₁温度；

G点温度为钢的Ar₁—(10～20)℃；

(十一)GH为较快冷却——风冷，H点温度为钢的Ar₁－(20～30)℃，此点为快速通过钢的Ar₁温度结束；

(十二)HJ为缓慢冷却——空冷，这是由于空冷起均匀温度和降温的作用，以准确的温度进入无能量补充的等温保持；

J点是锻件进入缓冷箱进行无能量补充等温保持的开始，为从入缓冷箱J点温度至鼻尖“上C-曲线”温度等温保持至少20分钟，使过冷奥氏体转变成珠光体，不致等温温度在20分钟内进入鼻尖“下C-曲线”温度，阻止发生贝氏体转变，获得适宜的切削加工性能：

(1)J点温度为钢的C-曲线鼻尖部温度T_P+(40～90)℃，并且满足钢的Ar₁－(30～80)℃，抵消锻件在缓冷箱中有少量热量散失的降温和在缓冷箱中等温保持的温度缓慢递减；

例55钢的T_p为580℃，Ar₁为690℃，代入：

1)T_p+40℃＝580℃+40℃＝620℃；

Ar₁－80℃＝690℃－80℃＝610℃

J点温度为620℃，见附图17；

2)T_p+90℃＝580℃+90℃＝670℃，

Ar₁－30℃＝690℃－30℃＝660℃

J点温度为660℃，见附图17；

综合1)和2)，J点温度为(620～660)℃，见附图17阴影部分；

3)T_p+(40+25)℃＝580℃+(40+25)℃＝645℃，

Ar₁－(30+25)℃＝690℃-(30+25)℃＝635℃，

J点温度为(635～645)℃，见附图18阴影部分；

(2)缓冷箱保温性能好；

(3)锻件进入缓冷箱后立即自动关闭缓冷箱入口，以减少热量从入口处散失，保存余热进行等温保持，犹如保温瓶倒出热水后，立即将保温瓶塞盖住瓶口，以减少热量从瓶口处散失。

钢的等温正火为在钢的临界温度等温保持进行正火处理；

钢快速冷却通过正火温度至钢的临界温度——C-曲线鼻部温度，在钢的C-曲线鼻部温度等温保持进行正火处理；

(十三)JK为等温保持，这是由于：

(1)钢的过冷奥氏体在此温度范围转变完毕，得到细的珠光体组织；

(2)冷却速度对钢正火后性能影响的一般规律是：冷却速度大，应力大，硬度高，钢的锻造余热控锻控冷等温正火后，金相组织达到GB/T13320-2007第 一组评级图1～4级合格的要求，为消除在钢的Ar₁温度雾冷造成的应力大、硬度高，从而获得适宜的切削加工性能；

(3)钢的Ar₁温度未采用快速冷却——雾冷，而采用较快冷却——风冷，又未在钢的C-曲线鼻部温度等温保持，正火处理后，金相组织粗大，为GB/T13320-2007第一组评级图的7级；见附图7、8；

(4)得到平衡组织，经本发明处理得到的平衡组织，消除钢的粗大晶粒非平衡组织在通常淬火温度加热时，重新获得粗大晶粒的组织遗传性；经本发明处理得到的钢的粗大晶粒平衡组织，在通常淬火温度加热时，不发生组织遗传，而获得细小晶粒组织，保证最终热处理质量；

(5)钢的锻件控锻后冷却至氢溶解度小而扩散系数大的C-曲线鼻部温度等温保持，进行脱氢处理；

(6)增加废热利用次数，提高锻造余热正火处理的余热利用率；

K点温度为(400～550)℃；

(十四)J₁K₁为等温保持时间

(1)从第一件锻件至最后一件锻件进入缓冷箱，间隔时间为(90～100)分钟，这是由于锻件在钢的Ar₁以下温度长期保温，会在先共析铁素体晶界上出现粗大组织；

(2)等温保持时间以最后一件锻件进入缓冷箱时开始计算等温保持时间，等温保持时间J₁K₁为60分钟；

控制钢出缓冷箱后的冷却速率、冷却均匀性和冷却效率及冷却终止温度；

(十五)KL为出缓冷箱缓慢冷却——空冷至室温。

钢的锻造余热控锻控冷等温正火方法，以中碳结构钢为例，描述实现本发 明的技术方案和原理，得到的功能，本发明亦适用其他钢种，其他钢种为得到本钢种经本发明处理后的功能，其特征、技术方案、原理、得到的功能相同之处，不再描述，不同之处描述如下：

(十六)为改善低碳钢(含低碳低合金钢)的切削性能，由钢的正火温度Ac₃+(40～80)℃较快冷却——风冷至钢的Ar₃+(10～30)℃，在缓冷箱中等温保持至钢的Ar₁－(10～30)℃，出缓冷箱较快冷却——风冷至室温，以提高钢的硬度到适宜切削加工的范围，切屑易折断，防止缠绕在工件或刀具上，提高切削加工生产率。

(十七)为有效抑制过共析钢渗碳体网的形成，为球化退火做组织准备，使球化退火易予进行，稳定球化退火质量，获得细小、均匀分布的碳化物和球化组织，由钢的正火温度Acm+(30～50)℃快速冷却——雾冷至：

(1)钢的C﹣曲线鼻尖部温度Tp+(10～30)℃，在缓冷箱中等温保持至钢的C﹣曲线鼻尖部温度Tp－(10～30)℃，出缓冷箱缓慢冷却——空冷至室温，防止产生裂纹，减少畸变量；

(2)钢的C﹣曲线鼻尖部温度Tp±(10～30)℃，在缓冷箱中等温保持0秒，立即转入球化退火处理；这是由于雾冷抑制渗碳体网的形成，立即转入球化退火处理，对雾冷的过共析钢进行加热，终止了连续冷却，在球化退火过程中需要等温保持以球化；

(3)凡不立即转入球化退火处理的须在缓冷箱中，由钢的C﹣曲线鼻尖部温度Tp+(10～30)℃等温保持至Tp－(10～30)℃，出缓冷箱缓慢冷却——空冷至室温；这是由于不立即转入球化退火，未对雾冷的过共析钢进行加热，即未终止连续冷却，为防止产生裂纹，减少畸变量，须在缓冷箱中，由钢的C﹣曲线 鼻尖部温度Tp+(10～30)℃等温保持至Tp－(10～30)℃，出缓冷箱空冷至室温。

(十八)结构钢表面淬火后，正火预备热处理与调质预备热处理，两者的强度性能、疲劳寿命无明显差别；为简化工艺，用正火预备热处理代替昂贵、高能耗的调质预备热处理，由钢的正火温度Ac₃+(40～80)℃较快冷却——风冷至钢的Ar₁+(20～40)℃，快速冷却——雾冷至钢的C﹣曲线鼻尖部温度Tp+(30～50)℃，在缓冷箱中等温保持至钢的C﹣曲线鼻尖部温度Tp－(20～40)℃，出缓冷箱较快冷却——风冷至室温。

(十九)为使低碳钢(含低碳低合金钢)大型锻件得到数量少的铁素体和数量多、组织细的珠光体，强度、塑性和低温韧性均得到提高，由钢的正火温度Ac₃+(30～50)℃急速冷却——质量分数为(5～10)％NaCI水溶液冷却至钢的C﹣曲线鼻尖部温度Tp+(10～30)℃，在缓冷箱中等温保持至钢的C﹣曲线鼻尖部温度Tp－(10～30)℃，出缓冷箱急速冷却——质量分数为(5～10)％NaCI水溶液冷却至(180～240)℃，然后在静止的空气中冷却至室温，避免大型锻件表面层因急速冷却产生淬火马氏体的第二类回火脆性。