余热正火技术在汽车锻件上的应用实践

锻造行业传统上属于高耗能行业，能源成本通常占变动成本的20％左右。随着国际市场能源价格的不断上涨，企业能源成本比重也在不断上升；另一方面，由于我国的单位产值能耗与发达国家相比差距很大，国家对节能工作的政策导向也不断强化，节能工作将直接影响锻造企业的竞争能力。国内的锻造企业能源利用水平高低不一，因此改进的余地很大。

利用锻造余热进行正火，是一种节约能源、提高生产率、提高机械性能、提升产品质量的绿色锻造工艺，应大力提倡并推广。根据公司降本增效、节能减排、缩短生产周期、提高生产效率、减少设备投资的目标，我们开始了本次项目研究工作。

产品技术要求及理论依据

本次研究的余热正火工艺主要针对我公司的内星轮族类产品，该系列产品形状基本为圈形如图1所示，且材料均为UC1，热处理技术要求采用正火处理，硬度：209~256HB；金相：珠光体＋铁素体；晶粒度5～8级；脱碳层≤0.2。

 

  

   图1 内星轮族类产品形状示意图

 

 图2 常规正火工艺

此类产品一直采用加热到850℃保温一段时间，出炉风冷的正火工艺（图2），该工艺是一种常规热处理工艺，需将钢加热到Ac3以上30～50℃保温，然后以一定的冷却速度冷却至室温，达到细化晶粒、均匀组织、改善切削加工性的目的。

而我们研究的余热正火工艺是利用锻造成形后，当温度低于A1线（对亚共析钢而言）利用锻件余热，在热处理炉中加热+保温一段时间后，出炉空冷得到正火组织的一种热处理工艺（该工艺中组织已进行了再结晶），理论上它完全能够得到珠光体＋铁素体的平衡组织。图3是铁碳平衡相图，当产品锻造完成后，温度低于A1线时，产品组织已经发生了完全转变。此时利用锻造余热进炉加热到Ac3以上30～50℃保温，产品发生了奥氏体晶核形成，晶核长大，残留渗碳体的溶解以及奥氏体均匀化的过程。该过程完全与正火工艺过程相同，在理论上完全可行，且节约了大量能源。图4为我们制定的余热正火初步工艺路线，并依据该路线进行了试验。

图3 铁碳平衡相图

图4 利用锻造余热正火工艺

试验方法及结果分析

我们为了验证该工艺进行了四轮试验作为对比。对比的状态分别是原材料、常温产品、锻造高温产品（≥850℃）、锻造低温产品（≤730℃）。试验均采用马弗炉选取各状态的四件产品进炉加热到850℃，保温相同时间出炉空冷。试验完成后我们根据该产品的技术要求进行了相关检验，详见表1，金相组织如图5所示，然后根据检验结果进行了对比验证。

 

表1 检验结果

状态	进炉温度/℃	硬度/ HB	金相组织	结论
原材料	室温	229	P+F，晶粒度4-5级，脱碳层0.1mm	/
室温	234	P+F，晶粒度5级，脱碳层0.1mm	/
室温	231	P+F，晶粒度4级，脱碳层0.1mm	/
室温	234	P+F，晶粒度5级，脱碳层0.1mm	/
常温产品	室温	229	P+F，晶粒度6～7级，脱碳层0.1mm	合格
室温	229	P+F，晶粒度5～7级，脱碳层0.1mm	合格
室温	222	P+F，晶粒度5～6级，脱碳层0.1mm	合格
室温	231	P+F，晶粒度6级，脱碳层0.1mm	合格
高温锻件	≥850	217	P+F，晶粒度3～5级，脱碳层0.1mm	不合格
≥850	212	P+F，晶粒度4～5级，脱碳层0.1mm	不合格
≥850	229	P+F，晶粒度3～4级，脱碳层0.1mm	不合格
≥850	229	P+F，晶粒度3～5级，脱碳层0.1mm	不合格
低温锻件	≤730	223	P+F，晶粒度6～7级，脱碳层0.1mm	合格
≤730	229	P+F，晶粒度7～8级，脱碳层0.1mm	合格
≤730	235	P+F，晶粒度7级，脱碳层0.1mm	合格
≤730	235	P+F，晶粒度8级，脱碳层0.1mm	合格

 原材料4～5级 

常温产品6级

高温锻件3～4级

 低温锻件7～8级 

 图5 金相组织

通过检验结果我们发现，采用余热正火工艺进行试验的产品完全达到了技术要求，且组织晶粒度较好。同时通过常温产品及原材料的试验，我们确定了我们的保温时间完全能够满足组织均匀细化的效果。而锻造高温产品的试验结果则证明了，目前余热正火工艺必须要等锻造产品冷却至A1线下，发生了再结晶的转变才能进炉加热保温，否则组织晶粒度粗大，不能满足技术要求，因此产品进炉需进行温度分选。

生产应用

根据试验数据并结合锻造相关生产操作，我们将此工艺应用在实际生产中。目前我们购买了一台余热正火网带炉(图6)，该设备是根据目前产品的形状和工艺进行设计的。网带炉由传送系统、分选系统、加热保温系统、冷却系统、设备故障报警系统构成。由于采用先进的托辊式网带传送，加热元件在炉内循环，相比常用的推杆式料盘节约大量能源，同时大大的降低了工人的劳动强度。

图6 余热正火网带炉

现在余热正火网带炉连接1000t锻造生产线，实现一体化的生产，相比原生产流程节约了大量的物流流转时间提高了生产效率，工艺流程对比如下：

常规正火生产工艺流程：下料→锻造→正火→抛丸→防锈包装→入库；

余热正火生产工艺流程：下料→锻造、余热正火→抛丸→防锈包装→入库。

生产工艺流程的变更为我们节约了“锻造→正火”这段流转时间约为8～12小时，加之余热正火工艺较常规正火工艺所节省的节拍时间1小时。工艺流程的变更节省时间为9～13小时。

结论

⑴锻造余热正火工艺需要将锻造产品温度降至A1线下进炉保温，产品的组织晶粒度才能满足技术要求。

⑵锻造高温产品不能直接进行余热正火，在实际生产中需要进行温度分选加以严格控制。

⑶通过我们的数据统计，我们发现余热正火工艺节能效果明显，相对常规正火工艺，节约能源约30％左右，且该工艺的实际生产应用提高了生产效率，降低了人工成本。

作者简介：黄锐，汽车产品车间副经理兼热处理技术主管，主要从事汽车产品车间技术质量、持续改进及技术中心热处理技术相关工作。参与余热正火、非调质钢控温冷却等项目，曾获得东华公司技术创新一等奖，优秀员工等称号。

—— 来源：《锻造与冲压》2019年第11期