[发明专利]匀速冷却介质及其在锻后控制冷却过程中的应用

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。