不銹鋼形變熱處理工藝方法36例

形變熱處理亦稱“熱機械加工”。在機械制造過程中，將壓力加工（輥、鍛、軋）與熱處理工藝有效地結合起來，則可同時發揮行變強化和熱處理強化的雙重作用，獲得單一的強化方法所不能達到的綜合力學性能。這種復合強化的工藝稱為形變熱處理。

 

除了能獲得優異的力學性能外，形變熱處理還可省去熱處理的重新高溫加熱，從而節約大量能源、加熱設備和車間面積，減少材料的氧化脫碳、畸變等熱處理缺陷。因此，形變熱處理工藝兼有優良強化效果與巨大的經濟效益

 

1.鍛熱淬火工藝16例

（1）鏜刀鍛后淬火

鏜床用鏜刀刀身直徑4mm，刀頭直徑6mm，總長40mm，鍛后立即淬火，及時回火，結果使切削壽命較常規處理提高30%以上。

（2）車刀鍛后淬火

國內某機床電器廠生產的自用M2鋼車刀，鍛后立即淬油，550℃回火，使用壽命較市售車刀提高1倍多。嘉龍公司用9341鋼制12方自用車刀，自由鍛造后油冷，使用壽命比較高。

 

（3）粉碎機錘頭鍛熱淬火

65Mn鋼制355mm×98mm×33mm粉碎機錘頭鍛后余熱淬火：始鍛溫度1050℃，終鍛溫度840～860℃，終鍛后在空氣中停留2～3s，淬入流動的自來水，180～200℃回火，表層10mm向內硬度可達50～55HRC，使用壽命較常規熱處理提高50%以上。

 

（4）套筒扳手鍛熱淬火

國內某五金工具廠用40Cr鋼制套筒扳手，鍛熱淬火代替原鹽浴淬火，不僅節能環保，而且質量上乘。

 

（5）鏨子鍛熱淬火

55MnSi鋼制鏨子在2500N空氣錘和專用的模子上鍛造成形，高溫形變溫度為920～950℃，形變量為75%左右，終鍛溫度大約900℃，形變后30s內（視工件表面火色）迅速水淬油冷，220～270℃回火。形變熱處理后的鏨子硬度高、韌性好，使用壽命大大提高。

 

（6）螺紋環規的鍛熱淬火

將230mm×120m質量約40kg的CrMn鋼毛坯鍛打成90mm×90mm×600mm方條，再根據環規尺寸下料。將坯料加熱到1050～1150℃，適當保溫在高溫形變區內快速鐓拔成形，其形變量為35%～40%，終鍛溫度920～900℃，立即投入到40～70℃油冷卻，在油中冷40～60s，約100℃出油空冷，及時回火。環規表面硬度均≥62HRC。

 

（7）45鋼制鏈輪鍛熱淬火

始鍛溫度1070～1150℃，終鍛溫度為850℃，形變量為35%～75%，回火溫度200～350℃，較鹽浴火箱式爐加熱淬火，強度提高約30%，耐磨性提高26%～30%。

 

（8）GCr15鋼制軸承鍛熱淬火

形變溫度930～970℃，形變量30%，油冷，150～180℃回火。和常規熱處理相比，提高強度近20%，接觸疲勞壽命提高23%。

 

（9）40Cr鋼制柴油機連桿鍛熱淬火

1150～1180℃始鍛，胎膜鍛造，形變時間13～17s，形變量約40%，緊接著在2150N曲柄壓力機上切邊、較直后立即淬火（工件此時的溫度為900～950℃），最后進行650℃回火。

 

（10）45Mn2鋼制鋼球鍛熱預冷淬火

使用45Mn2鋼制直徑70～100mm鋼球，始鍛溫度約1200℃，終鍛溫度控制在1000～1050℃，根據鋼球規格選擇不同的預冷時間后水淬，150～180℃回火鋼球表面硬度均≥57HRC，≥50HRC的硬化層深度均＞20mm，滿足了大規格鋼球的使用要求。

 

（11）65 Mn鋼犁鏵輥鍛余熱淬火

1100～1200℃中頻感應加熱，從輥鍛變形開始至淬火前約20s，犁鏵不同部位的變形量為56%～83%，形變后淬熱密度為1.30～1.35g/cm3的CaCl2水溶液中，淬火后進行460～480℃×3h回火，硬度40～45HRC。

 

與犁鏵的常規熱處理工藝相比，加熱次數由4～5次減少為兩次，生產效率提高約4倍，產品質量全部達到一等品要求，經濟效益十分顯著。

 

（12）汽車轉向節鍛熱淬火

直徑60mm的40Cr鋼制汽車轉向節，1150～1200℃加熱后始鍛，終鍛溫度900～850℃，油冷，600℃×2h回火。利用鍛造余熱淬火，不僅節約能源降低成本，而且顯著改善組織結構，提高材料力性能，尤其是沖擊韌度的提高對汽車安全性意義更為重大。

 

（13）Cr12MoV鋼制精密塑料熱壓模鍛熱調質

模具的外形尺寸為70mm×20mm×10mm，在20mm寬度平面上分布有直徑 1.5mm、2.5mm、3mm小孔各20個，要求熱處理后的孔距公差為±0.006mm，平面度＜0.01mm硬度56～60HRC。

 

由于Cr12MoV鋼的共晶碳化物偏析嚴重，經開坯軋制后有一定程度的破碎，但沿軋制方向仍呈帶狀分布，心部呈網狀、塊狀和堆集分布，成為應力集中和裂紋源，并導致材料各向異性，同時也增加熱處理畸變，采用鍛熱形變較好地解決了上述問題。具體工藝如下：始鍛溫度1050～1160℃，終鍛850～950℃，趁熱油冷，780℃×3h×2次回火。最終熱處理工藝：600℃+850℃兩次預熱，1100～1160℃鹽浴加熱，800℃、450℃兩次分級，280℃等溫淬火，490～500℃×2h×2次回火。

 

最終熱處理后的金相組織：馬氏體+下貝氏體+彌散碳化粉+少量的殘留奧氏體。其體積比容與鍛熱調質的索氏體接近，達到微變形，熱處理后不用校直，畸變全部達到技術要求，硬度58～60HRC，合格率達99.99%。按上述工藝熱處理的模具有高的耐熱性、熱硬性和耐磨性，使用壽命高。

 

用鍛造余熱淬火+高溫回火的例子還有很多，如六角拉輪模、拉深模、冷沖模等，不一一列舉。

 

（14）五金工具鍛熱淬火

五金工具中的扳手、起子、鉗子、剪刀等手工工具是最早施行鍛造余熱淬火的，這也許是最早的形變熱處理原形吧，將工具要淬火的部位放在焦炭爐加熱，觀其火色，即行鍛造，有的需幾火才能打到既定尺寸，最后一火鍛造成形后不要空冷，根據材料，選擇合適的冷卻劑，然后放在爐邊回火或采用自身余熱回火，很少采用專用的回火爐。

 

（15）木工工具鍛造淬火

木工工具中的刨刀、斧頭、鑿子自由鍛造后，一般均用余熱淬火，節電省時，生產效率高。

 

（16）農機具鍛造余熱淬火

現在到農村一些集鎮，仍然可以看到用焦炭爐加熱，利用鍛造余熱淬火的農機具有鐮刀、鐵鍬、鏟子、耙田靶子、破碎機錘頭等及其廚房用的勺子、鍋鏟、菜刀等。

2.鍛造正火2例

 

（1）3Cr3Mo3W2V鋼制熱鍛模消除鏈狀碳化物的正火處理

該鋼鍛后緩冷易出現鏈狀碳化物，導致模具脆斷、龜裂或熱裂失效，采用正火，可使M6C溶解，在空冷速度＞15℃/min時，超過了形成鏈狀碳化物的臨界冷速，可消除鏈狀碳化物并在球化退火后獲得顆粒勻細分布的碳化物。推薦的正火溫度為1130℃，經改鍛正火沖擊韌度值由26J/cm2提高到23J/cm2，壽命由原1500件提高到2000件以上。

 

（2）20CrMn鋼鍛熱正火

高溫形變正火是指工件在終鍛后大約850℃，直接放到空氣中散冷，不僅能使強度提高，而且鋼的沖擊韌度、抗磨及抗疲勞性都有大幅度提升，而且降低了鋼的脆性轉變溫度。用20CrMnTi鋼制鍛坯外形尺寸為80mm×80mm×40mm，鍛后空冷，控制好冷速，使力學性能大大提高，而且便于切削加工。國內某些機械公司，20CrMnTi鋼汽車齒輪，采用鍛造余熱正火，生產1t齒輪即可節電300kW·h以上。

 

3.鍛熱退火2例

 

（1）高速鋼鍛件的快速球化退火

國內有些單位在高速鋼停鍛后立即放入早已升溫到Ac1-（20～30）℃爐保溫2～3h，爐冷至550℃，出爐空冷，筒化了工序，縮短了生產周期，節電70%～90%，降低生產成本，改善了勞動條件，提高了鍛件質量，并有利于機械化操作。經過軋制、模鍛等溫加工的高速鋼工件，不必沿用常規的退火工藝，可以參考本例。

 

（2）8Cr2WMnMoVS（簡稱8Cr2S）制精密冷沖模鍛造余熱退火

模具外形尺寸為250mm×200mm×42mm，始鍛溫度1150～1100℃，終鍛溫度900～850℃，退火工藝：800～820℃×4～6h爐冷至500℃出爐空冷。

 

4.輥、軋、擠余熱淬火5例

（1）機械刀片鑲軋淬火

木材加工行業使用的部分旋刀和刨切刀是用鑲接法成形的。刀刃用5Cr8W2MoVSi之類的合金工具鋼，刀體（或叫刀背）為45鋼火Q235A鋼，加熱到刃鋼的鍛造溫度，用軋機把刃鋼和刀體焊接在一起，屬于一種固相焊接法，壓軋成規定尺寸，控制終軋溫度，適時淬火冷卻。這種方法制造出來的刀片省時省電，而且質量好，硬度高，壽命長。詳情請登入http://www.gyyyzx.com.cn

 

（2）M2鋼車刀軋熱淬火

軋熱淬火是利用各種型材軋制后的余熱進行淬火的熱處理工藝。它的強化效果與鍛熱淬火相同。M2鋼1220℃軋制（250型軋機，50r/min）成規定尺寸直接淬火，硬度均能達65HRC以上，車刀切削壽命均比鹽浴淬火高。

 

（3）45鋼制機用木工麻花鉆軋熱淬火

國內某工具公司生產機用木工麻花鉆，筆者施行形變熱處理取得成功。通過高頻加熱裝置，四輥熱軋，奧氏體化溫度950～1000℃，形變溫度880～950℃，形變量30%左右，淬火劑為循環的兩硝水溶液，水溫＜70℃，淬火后硬度≥54HRC，240～260℃×1h回火后硬度≥50HRC，符合技術要求，95%以上達到形變要求。

 

（4）螺紋鋼筋軋熱淬火

20MnSi鋼螺紋鋼筋需熱軋供貨，性能要求抗拉強度≥510MPa、抗彎強度≥335MPa、伸長率≥16%。60mm×60mm的方坯，軋制成直徑16mm的螺紋鋼筋。始軋溫度1100～1200℃，軋制形變量約93%，終軋溫度950～900℃，正好是該鋼低碳馬氏體淬火的溫度，軋后水冷1～1.26s出水，550～600℃，利用本身的熱量自回火。經上述軋熱淬火回火工藝處理的鋼筋，力學性能遠遠超過GB1499規定的數值，也超過英國BS4449標準規定的力學性能。

（5）35CrMo鋼制石油鉆桿接頭擠壓余熱淬火

擠壓形變溫度1100～1200℃，回火溫度570～580℃。硬度300～335HBW，力學性能抗拉強度≥1068MPa、抗彎強度≥960MPa、伸長率≥14.5%，符合部頒標準要求。實踐告訴我們，對于像接頭這樣較大的工件進行擠壓余熱淬火，必須慎重選擇形變溫度、變形后淬火前的停留時間、淬火介質、工件在淬火介質中的冷卻時間，回火溫度等工藝參數。

 

5.相變超塑性熱處理4例

 

（1）9SiCr鋼的超塑形變熱處理

840℃×2h油冷+200℃×2h回火是為了獲得雙細化組織。然后800℃超塑形變，形變速率2.5×10s、拉伸形變量250%，形變后油中冷卻。超塑形變后測試了鋼的抗彎強度與多沖壽命以及硬度等指標，結果表明，抗彎強度較常規處理提高28%，多沖壽命提高38.6%，硬度均≥60HRC，和常規淬火相當。

 

（2）低溫形變熱處理

H11鋼經常規淬火482℃ 兩次回火后鋼的抗彎強度為1852MPa，伸長率為12.5%。如果于低溫形變淬火+482℃回火，再于316℃左右進行2%形變時效，最后再補充進行482℃回火。此工藝雖復雜一些，但使鋼的抗彎強度值上升到2548MPa，提高37.5%，伸長率仍保持原來水平。

 

（3）高低相結合的形變熱處理

這種復合形變熱處理是在高溫形變淬火后，再在一定溫度下進行少量的變形并回火的工藝。高溫形變淬火后再進行馬氏體形變時效，可使鋼獲得比其他任何熱處理都高得多的強度性能。例如，50CrVA經常規淬火+200℃回火后，力學性能分別為：抗拉強度2119MPa、抗彎強度1497MPa、斷面收縮率41.7%。經高溫形變淬火+200℃回火+3%形變+200℃回火后的力學性能分別為：抗拉強度2597MPa、抗彎強度2254MPa，即高溫形變淬火與馬氏體形變時效相結合的復合形變熱處理，使50CrVA鋼的抗拉強度、抗彎強度分別提高了22.6%和50.7%。

（4）機械刀片輥壓校直

嘉龍公司生產長度2m以上的刨切刀、旋切刀等機械刀片，在保護氣氛爐中加熱淬火出爐溫度約500℃，待工件冷到200℃左右，利用相變超塑性的原理，在輥壓機上往復滾壓幾次，彎曲10～15mm立刻就能校到直線度≤0.30mm，這種形變強化，不僅能校直好彎曲的刀片，還能使被滾壓的表面產生約5mm深的殘余壓應力，有利于提高刀具的使用壽命。

6.形變化學熱處理7例

（1）冷形變滲碳

該工藝是在工件冷變形后進行滲碳，由于冷變形產生了不少結構缺陷，可使滲碳過程加速。例如20CrNiMo經冷鐓變形量25%，930～950℃×2h氣體滲碳，滲層深度達0.84mm；若形變量50%，涂層可達0.88mm，形變量越大，滲層越深。

 

（2）冷形變滲氮

該工藝是工件在室溫下冷形變后進行滲氮的復合熱處理工藝。冷形變滲氮與冷形變滲碳不同；冷形變使滲氮速度減慢，滲層深度減薄，且隨著形變量的增大，滲層減薄趨勢越明顯。產生這種現象的原因可能是氮原子對位錯的釘扎作用（或位錯對氮原子的陷阱作用），阻礙了氮原子的擴散作用。但使冷形變滲氮卻可使純鐵的強韌性升高。滲氮溫度及保溫時間視鋼種而定，如38CrMoAl鋼和20鋼分別為650℃和550℃。

 

（3）冷形變滲硼

該工藝是工件在室溫形變后進行滲硼的復合熱處理工藝。例如20鋼制工件于溫室軋制形變，隨后進行900℃保溫和不同的加熱速度固體滲硼。試驗表明，冷形變可明顯增大滲硼層深度。最大滲層深度所對應的最佳形變量隨加熱速度和滲硼保溫時間而異。產生這種現象的原因是由于鋼的冷形變組織加速了鋼件表面對硼原子的吸附過程所致。

 

（4）冷形變碳氮共滲

冷形變碳氮共滲是在室溫形變后進行中溫碳氮共滲的復合熱處理工藝。表面處理前的冷處理，對鋼的碳氮共滲過程有明顯的影響，其作用是提高表面的C、N含量，以及在最佳形變量時增大滲層的厚度，例如：20CrMnTi鋼冷軋形變量為15%時，860℃×2h、860℃×4h碳氮共滲的厚度分別為0.65mm和0.80mm。

 

（5）形變滲鈦

室溫形變除對間隙原子在鋼中的擴散過程有影響外，還對置換型原子在鋼的滲入過程產生影響。例如：對冷形變后的16Mn鋼進行滲鈦，考查了冷形變對固體滲鈦過程的影響，試驗表明，滲鈦溫度為900～950℃，30%的形變量最佳，隨著滲鈦溫度的提高，保溫時間的延長，滲層越厚。

 

（6）鍛熱滲碳淬火

該形變熱處理工藝是將工件坯料加熱到始鍛溫度改鍛，隨即放入滲碳爐中滲碳，然后直接淬火。鍛熱滲碳淬火可以節約滲碳時工件加熱所需的電能，并能提高滲碳速度、表層硬度和耐磨性，適合于中等模數的齒輪，以及其他類型的滲碳工件。

 

滲碳與形變熱處理相復合的另一種形式是滲碳+鍛熱淬火，即先進行滲碳，隨之熱模鍛和淬火；實施這種工藝可使工件的有效硬化層增厚、表面壓應力增大、破斷功提高，產品壽命延長。

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（7）9SiCr鋼制圓板牙滲氮淬火復合熱處理

9SiCr鋼制圓板牙熱處理硬度要求62～65HRC，常規熱處理860～880℃鹽浴加熱淬火，150～180℃回火，發黑出廠。一般情況下，為提高刀具硬度、耐磨性可采用表面化學熱處理，但是化學熱處理的工藝溫度至少得400℃，對9SiCr鋼制工具，顯然是不合適的，而滲氮淬火解決了這個難題。

先在LD 60kW離子氮化爐中滲氮，然后在100kW中溫鹽浴爐中加熱，油冷，冷處理，最后150～180℃回火。經檢測，距表面0.10～0.80mm，硬度＞927HV5，峰值硬度974～986HV5。0.20～0.60mm處硬度≥857HV5，并提高硬化區的抗回火性能，延長了板牙的使用壽命。

7.結語

形變熱處理工藝的應用極為廣泛。從加工對象的角度看，它適用于各種不銹鋼、碳鋼、合金鋼、合金結構鋼、鎳基合金等幾乎所有的金屬材料。從加工方法上看，它能使兩者結合起來，達到對零件及韌性等方面的特殊要求，從而使形變構件質量，壽命得到很大提升。形變熱處理前途光明。