大型鍛鋼件是造船、鐵路、電力、石化、冶金、航空航天等國家重大技術裝備的關鍵部件和產品，在國民經濟和現代科學裝備的建設中發揮著極其重要的作用，其質量直接影響重大裝備的整體水平和運行可靠性，關系到國民經濟命脈和國家安全。熱處理是提高大型鍛鋼件質量的關鍵技術。常用的熱處理主要包括退火、正火、淬火和回火，相應的現行國家標準是GB／T16923—2008《鋼件的正火與退火》和GB／T 16924—2008(鋼件的淬火與回火》。但這些標準主要適用于按千克計量的中小型鋼件，大型鍛鋼件按噸計量，一般重數噸甚至幾百噸，而且大型鍛鋼件由于尺寸和重量大，存在成分偏析、組織不均勻、非金屬夾雜、較多的孔洞和較大的熱應力等缺陷，目前的熱處理標準應用于大型鍛鋼件還存在一些問題。國家市場監督管理總局和中國國家標準化管理委員會于2019年6月4日和2019年5月10日分別發布了GB／T37559-2019《大型鍛鋼件的正火與退火》和GB／T37464-2019《大型鍛鋼件的淬火與回火》兩項大型鍛鋼件熱處理標準。本文依據2019年12月1日實施的GB／T37464-2019《大型鍛鋼件的淬火與回火》，主要介紹大型鍛鋼件的淬火和回火工藝。

1、大型鍛鋼件的淬火   

     淬火是將工件加熱奧氏體化后以適當方式冷卻獲得馬氏體或(和)貝氏體組織的熱處理工藝。大型鍛鋼件的淬火主要是為了獲得馬氏體組織，提高鋼的硬度和強度，它包括加熱、保溫、冷卻三個過程，這三個過程是相互銜接，不可間斷。制定淬火工藝時要確定裝爐溫度、升溫速率、保溫時間、淬火溫度、均熱時間等參數。圖1為部分碳鋼、低合金鋼淬火與回火工藝曲線示意圖。1.1淬火加熱(1)加熱設備   大型鍛鋼件加熱時應選用符合要求的熱處理爐，且能實現升溫速度可調可控，加熱介質一般為空氣，有特殊要求的工件可選用保護氣氛爐。淬火加熱爐有效加熱區檢測方法應符合GB/T9452《熱處理爐有效加熱區測定方法》或GB/T30824《燃氣熱處理爐溫度均勻性測試方法》要求。加熱爐有效加熱區的溫度均勻性應不超過±10°C，其余應滿足GB/T16924《鋼件的淬火與回火》及GB/T32541《熱處理質量控制體系》規定的要求。(2)裝爐  針對大型鍛鋼件的形狀特點和性能要求，應設計合理的工裝和裝爐方式，控制工件的熱處理畸變。裝爐時工件應放置在淬火加熱爐的有效加熱區內，保證爐氣在其內外表面流動暢通，加熱均勻。使用燃氣爐加熱時，應避免火焰直接噴射到工件上。對于細長軸工件宜垂直放置在熱處理爐中進行加熱。裝爐溫度應根據鋼種和工件的有效厚度來確定，工件的有效厚度計算方法如表1所示。如常用的45、40Cr鋼的有效厚度≤600mm時，其裝爐溫度≤400°C～450°C。工件裝爐后應保溫一段時間，以減小工件在藍脆溫度范圍(250°C～350°C)內的溫差。在保溫之前鍛件處于線彈性狀態，如果表面與心部溫差引起較大的熱應力，可使工件在加熱過程中早期開裂。(3)加熱方式   大型鍛鋼件截面尺寸較大，必然使工件在加熱過程中產生巨大的表面與心部溫差，進而造成鍛件中的較大熱應力。所以大型鍛件的加熱方式一般采用階梯升溫方式。通常根據工件的鋼種和尺寸選擇合適的裝爐溫度以較慢速率升溫至彈塑性轉變溫度(一般在600°C～700°C之間)，在該溫度下等溫一段時間使工件內外溫度均勻，然后以較快速率升溫至淬火加熱溫度。(4)淬火溫度  鋼的化學成分是決定其淬火加熱溫度的最主要因素，選擇淬火溫度的依據是鋼的相變臨界點。此外，還應考慮工件的材料牌號、性能要求、原始組織狀態等因素。表2為部分常用鋼種的相變點、淬火溫度和冷卻方式。大型鍛鋼淬火溫度一般取相應材料淬火溫度的上限，以保證偏析區也能達到相應的淬火溫度，使工件充分奧氏體化。

1.2淬火均熱、保溫時間    均熱是指工件在熱處理爐內加熱達到保溫溫度開始，到工件表面溫度達到保溫溫度結束的過程。大型鍛鋼件的均熱時間可根據經驗估算(一般為工件表面溫度均勻一致并與爐墻顏色相同時為止)，也可以在工件表面安裝載荷熱電偶，以工件表面載荷熱電偶溫度全部達到淬火溫度開始算保溫。     保溫目的是使工件內部溫度均勻趨于一致，其保溫時間最終取決于在要求淬火的區域獲得良好的淬火加熱組織。保溫時間可根據鋼種和工件的有效厚度來確定。碳鋼和低合金鋼的保溫時間一般按0.6h/100mm～1.2h/100mm計算；中高合金鋼或馬氏體不銹鋼的保溫時間一般按1.0h/100mm～2.0h/100mm計算。

1.3淬火冷卻    淬火冷卻時，既要保證過冷奧氏體向馬氏體轉變，又不至于由于冷卻速度過大而引起工件內應力增大，造成工件變形和開裂。因此，應采用適當的冷卻方式，使工件表面各部位獲得均勻的冷卻。(1)淬火冷卻設備     淬火槽應能容納足以吸收工件熱量的淬火劑；也可配置輔助淬火槽，輔助淬火槽與淬火槽之間循環泵的流量應能滿足工件淬火需求。淬火槽中應設置攪拌系統及冷卻循環裝置，工件淬火時應設置可以在槽內上下或左右移動的工裝或吊具。對于形狀較為復雜的工件，可根據工件的特征設計相應的輔助工裝。風冷、霧冷使用的噴風、噴水槽中噴嘴方向和壓強可以根據工件尺寸形狀進行調節，以獲得均勻合適的冷速。液態淬火槽中應設置可顯示冷卻過程中淬火介質溫度的感溫元件，其測溫儀表的分辨力≤5℃。淬火冷卻介質及其使用應符合JB/T 6955(熱處理常用淬火介質技術要求》的規定。液態淬火冷卻設備技術條件應符合JB/T10457《液態淬火冷卻設備技術條件》的規定。淬火冷卻時使用的起重機應符合JB/T7688.6《冶金起重機技術條件第6部分：淬火起重機》的規定。(2)淬火冷卻方式   大型鍛鋼件冷卻時除了產生較大的熱應力外，還會產生較大的相變應力。巨大的內應力，既會導致鍛鋼件中產生裂紋，甚至整體斷裂，還會對其內部組織轉變產生阻礙作用，從而推遲或減少奧氏體轉變為馬氏體。大型鍛鋼件的淬火冷卻一般采取風冷、霧冷、油冷、水冷、水—油冷、水—空冷和水溶性淬火液冷卻等方式。部分常用鋼種的冷卻方式見表2。在滿足性能要求的基礎上，盡量選擇冷卻過程中熱應力較小的冷卻方式。必要時，可在實際生產前采用計算機模擬技術或工藝性試驗確認適當的冷卻方式。如果想選擇水冷，淬火前應對工件碳當量[C]進行計算，根據水冷數據進行可行性分析。碳當量[c]計算公式為：     正偏析區碳含量≤0.31％，正偏析區碳當量[C]≤0.75％，可以采用水淬；正偏析區碳含量≤0.32％～0.36％，正偏析區碳當量【C】≤0.75％～0.88％，可以水淬，但應特別小心；正偏析區碳含量【C】>0.36％，正偏析區碳當量[C]≥0.88％，沒有特別指導禁止水淬。(3)淬火冷卻時間。大型鍛鋼件的淬火冷卻時間取決于工件心部的終冷溫度，可通過計算機模擬制定和優化具體工藝參數。高合金鋼工件的心部終冷溫度一般在貝氏體轉變終了溫度Bf與馬氏體開始溫度MS之間，一般為200℃～350℃；中合金鋼工件的心部終冷溫度應低于奧氏體向珠光體轉變的溫度，一般為350℃～400℃；對于部分需要獲得上貝氏體組織的中合金鋼工件，終冷溫度可高一些；對于冶金質量較好的大型鍛鋼件，工件心部終冷溫度可低于上述一般情況下的溫度。

2、大型鍛鋼件的回火

      大型鍛鋼件淬火冷卻結束后應盡快進爐回火，以防應力過大導致開裂。對于高合金鋼等較易淬裂工件，淬火與回火間隔不應超過2h。制定回火工藝時要確定裝爐溫度、回火溫度、回火加熱速度、均熱時間、保溫時間和冷卻速率等參數。      裝爐溫度根據材料的過冷奧氏體等溫轉變曲線(TTT曲線)確定，一般為與貝氏體終了溫度Bf和馬氏體轉變開始溫度MS接近的溫度。回火溫度是決定工件回火后硬度的主要因素，可根據技術要求確定。     回火加熱速度一般控制在30℃/h～100℃/h或者分段升溫，具體可根據其鋼種、尺寸和形狀以及淬火冷卻方式等情況進行調整。回火均熱時間可按照回火保溫時間的一半來估算。若工件表面放置熱電偶，則以工件表面熱電偶全部到達保溫溫度開始保溫。回火保溫時間根據工件有效厚度確定。一般情況下，每100mm有效厚度至少保溫2h。回火后的冷卻，對于有殘余應力要求的工件，應盡量降低工件在400℃以上的冷卻速率；對于易產生回火脆性的鋼種，可根據工件具體形狀和尺寸選擇相應的冷卻方法。     淬火工件回火時，隨著回火溫度的升高，通常強度、硬度降低，而塑性、韌性升高。但在某些溫度范圍內回火時，鋼的韌性不僅沒有提高，反而顯著降低，即產生回火脆性。所以當回火溫度≥400℃時要注意，對無第二類回火脆性的鋼材，如45、35CrMo、45CrMo鋼等，回火冷卻可采用隨爐冷或空冷；對具有第二類回火脆性的鋼材，如40Cr、3Cr13鋼等，回火冷卻須采用快速冷卻的方法(如水冷)消除脆性。

3、結論      

     淬火和回火是為滿足工件使用要求而進行的改善性能的熱處理，淬火是為回火作組織準備，而回火則決定了工件熱處理后的最終組織與性能。大型鍛鋼件因尺寸大和重量大而出現一系列問題，如嚴重的化學成分不均勻，過多的非金屬夾雜物、縮孔、縮松，巨大的熱容量和內應力等，使大型鍛鋼件的淬火和回火過程十分復雜。2019年12月1日實施的GB/T37464—2019國家標準規定了大型鍛鋼件淬火與回火技術要求與方法，適用于能源、冶金、運輸等行業重型裝備用大型鍛鋼件整體加熱淬火與回火。     為獲得一個性能、質量和使用壽命都好的大型鍛鋼件，應貫徹落實好相應的國家標準。