特殊钢可取消正火、退火工序的生产工艺

    特殊钢广泛应用于交通及其他各个行业中，要求具有优良的耐久性和疲劳强度，如齿轮、传动轴、轴承、螺栓等。为使特殊钢具有这些优良特性，钢中添加了许多合金元素。合金元素的添加，使特殊钢的硬度和微观组织发生各种变化。这些变化对之后的部件制造（热锻、冷锻、拉拔、切削等）的加工性产生影响。因此，使特殊钢具有优良的加工性是特殊钢的重要课题。对特殊钢或特殊钢的热加工部件、冷加工部件进行正火或退火处理，以调整钢的硬度和微观组织，使特殊钢或特殊钢的热加工部件、冷加工部件具有良好的加工性。另一方面，从提高生产效率和降低生产成本的角度，迫切需要省去热处理工序。为使部件能够在恶劣环境下应用，需要对部件进行硬化处理。但是，在对部件进行渗碳等高温热处理时常常会发生晶粒粗大化，特别是对冷锻部件进行渗碳处理时，很容易晶粒粗大。所以，为了抑制晶粒粗大，在锻造后，对部件进行正火处理。但现在已经开发出通过合金元素添加和微观组织调整，即使取消正火工序也可以防止晶粒粗大化的技术。本文对特殊钢钢材和特殊钢部件制造中可取消正火、退火工序的钢材成分设计特点和生产工艺特点作简要介绍。

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特殊钢正火、退火的主要目的及取消方法表1是特殊钢钢材和部件制造过程中进行正火、退火的主要目的和取消正火、退火的方法。



正火是将钢加热到奥氏体化温度后冷却（主要是空冷）的热处理。正火处理使高温热加工（轧制、锻造）的钢材和部件的粗大晶粒和不均匀微观组织得到改善，从而提高切削性并防止冷锻件渗碳处理时的晶粒粗大化。退火的的方法很多，主要目的是使材料软质化。例如，正火处理时不进行空冷，而进行缓冷，则可进一步使钢材软化。这种热处理叫作完全退火。此外还有，将亚共析钢加热到奥氏体-铁素体两相区，或是将过共析钢加热到奥氏体-渗碳体两相区后进行缓冷的球化退火。经球化退火，钢的微观组织成为铁素体和球状碳化物的混合组织，硬度大大下降，因此作为冷锻和拔丝加工的软质化处理方法。当热轧钢材中含有硬质的贝氏体难于切断时，可将钢材加热到两相区温度以下保温后进行空冷，这叫作低温退火处理。

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特殊钢取消正火、退火的生产工艺对棒钢、钢管、线材等钢材的要求是，部件加工时易于加工、为提高部件强度进行硬化热处理时不发生不合格现象。加工成部件的方法有热锻、冷锻、拔丝、切削等多种方法。近年来，CO2排放量少、成材率高的冷锻加工方法使用不断增多。与热锻相比，冷锻时工件成型的负荷大，为了减轻冷锻模具的负荷，常常在冷锻前对工件进行退火处理。因此，如能通过钢材制造工艺使钢材软质化，对于取消冷锻前的退火处理非常有益。为此，对取消退火处理的钢材软质化技术进行介绍。制造软质化钢材的主要工艺是控制轧制和控制冷却。适宜的钢成分并通过控制轧制和控制冷却，可提高钢材软质化的效果。为使轧制钢材软质化，应使轧材的终轧温度低温化，并且轧后对钢材进行缓冷。缓冷的方法是，在轧材冷却带上设置保温罩。低温轧制+缓冷，连续冷却后，钢的组织是最软质的铁素体+珠光体组织（抑制了硬质贝氏体组织的产生），并且珠光体本身也被软化。低温轧制抑制了轧制时钢的再结晶和晶粒长大，轧制中钢的组织是微细的奥氏体，冷却时促进了铁素体的转变（图1）。



日本国内的精密轧制棒钢设备多是三辊式轧机。利用这种轧机的高刚性可以进行低温大缩径率的热轧，易于得到微细奥氏体，所以是有力的控制轧制设备。调整钢的成分也是使钢材软质化的有效方法。在合金元素中，Si、Mn强化铁素体的作用很强， 减少Si、Mn含量可降低钢的硬度和钢的变形抗力。另一方面，减少Si、Mn含量会导致钢的淬透性下降。添加ppm级的微量的、可极大提高淬透性的硼（B），可弥补减少Si、Mn含量导致钢淬透性的下降。Cr强化铁素体的作用不及Si、Mn，但Cr可提高钢的淬透性，所以Cr可用于钢的软质化。B具有钢在低温轧制时增加铁素体量的作用，所以是使钢软质化的有效元素。减少钢中的固溶C、N，或利用析出物将C、N固定，抑制冷锻钢的硬化（动态应变时效），使钢保持比较软质的状态，是取消退火的有效方法。各特殊钢厂利用上述的控制轧制、控制冷却并与成分调整组合，开发出可取消退火的特殊钢。利用控制轧制技术使钢的组织是铁素体+珠光体，也可制造出取消正火的钢。

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特殊钢部件正火、退火的主要目的及取消方法特殊钢部件的正火、退火处理主要是为了使热锻件的微观组织和硬度均匀化，提高切削性。余热正火和锻后等温退火可取消部件的正火、退火处理。余热正火用于低碳钢和合金元素较少的钢。在管状容器内，利用锻件的余热控制锻件的冷却速度，对锻件进行冷却，获得铁素体+珠光体组织。余热正火的组织比常规正火组织粗大，但由于抑制了微观组织的不均匀性，所以使钢的切削性稳定。但是，余热正火用于合金元素较多的SCr420、SCM420时，不能防止有损切削性的贝氏体的析出。这时，在锻造后要对锻件进行等温退火（550-650℃保温30-60min后空冷），可使钢的组织是铁素体+珠光体组织，从而取消部件的退火处理。此外，有研究报告报道，对部件锻造采用控制锻造（低温锻造+控制冷却），可降低锻后部件的硬度，从而取消正火处理。为此，对抑制冷锻部件渗碳时晶粒粗大化进行的正火处理和取消正火处理的新钢种作简要介绍。钢在冷锻前进行球化退火时，如生成片状碳化物，则在冷锻时，钢中产生局部的不均匀应变，导致促进渗碳时的晶粒粗大化。为解决这个问题开发了新的钢种。新钢种的Cr含量多于SCr420和SCM420，抑制了亚共析钢球化退火中容易生成的片状碳化物的产生，提高了退火组织的均质性。此外，由于在新钢种中添加了微量的合金元素，产生了大量具有晶界钉扎效果的碳、氮化物。新钢种退火组织的均质化减轻了冷锻时的应变不均匀性，以及晶界钉扎效果的强化，使新钢种即使在冷锻后取消正火处理，也可以防止常规渗碳温度下的晶粒粗大化。
    在全球积极推进防止地球升温、实现零碳社会的形势下，减排温室气体CO2是当务之急的课题。在CO2减排方面，不仅特殊钢企业自身要采取减排措施，而且特殊钢用户和外委加工厂的加工工艺中，采取减排措施也不可或缺。本文对具有提高生产效率、降低产生成本和CO2减排等多方面效果的取消热处理技术作了简要介绍。期待这些技术进一步发展和不断扩大应用范围。