退火、正火、淬火、回火工藝（六）
- 發(fā)布者admin 點擊數(shù):665 發(fā)布時間:2016-03-21
八、淬火介紹
（1）鋼的淬火
淬火時將鋼加熱到Ac3或Ac1以上，保溫一定時間使其奧氏體化，再以大于臨界冷卻速度快速冷卻，從而發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。淬火鋼得到的組織主要是馬氏體（或下貝氏體），此外，還有少量殘余奧氏體及未溶的第二相。淬火的目的是提高鋼的硬度和耐磨性。
1、 淬火加熱溫度
碳鋼的淬火加熱溫度可利用Fe-Fe3C相圖來選擇。對于亞共析碳鋼，適宜的淬火溫度為Ac3+30～50℃，使碳鋼完全奧氏體化，淬火后獲得均勻細(xì)小的馬氏體組織。對于過共析碳鋼，適宜的淬火溫度為Ac1+30～50℃。淬火前先進(jìn)行球化退火，使之得到粒狀珠光體組織，淬火加熱時組織為細(xì)小奧氏體晶粒和未溶的細(xì)粒狀滲碳體，淬火后得到隱晶馬氏體和均勻分布在馬氏體基體上的細(xì)小粒狀滲碳體組織。對于低合金鋼，淬火加熱溫度也根據(jù)臨界點Ac1或Ac3來確定，一般為Ac1或Ac3以上50～100℃。高合金工具鋼中含有較多的強(qiáng)碳化物形成元素，奧氏體晶粒粗化溫度高，故淬火溫度亦高。
2、淬火加熱時間
為了使工件各部分完成組織轉(zhuǎn)變，需要在淬火加熱時保溫一定的時間，通常將工件升溫和保溫所需的時間計算在一起，統(tǒng)稱為加熱時間。
影響淬火加熱時間的因素較多，如鋼的成分、原始組織、工件形狀和尺寸、加熱介質(zhì)、爐溫、裝爐方式及裝爐量等。
鋼在淬火加熱過程中，如果操作不當(dāng)，會產(chǎn)生過熱、過燒或表面氧化、脫碳等缺陷。
過熱是指工件在淬火加熱時，由于溫度過高或時間過長，造成奧氏體晶粒粗大的現(xiàn)象。過熱不僅使淬火后得到的馬氏體組織粗大，使工件的強(qiáng)度和韌性降低，易于產(chǎn)生脆斷，而且容易引起淬火裂紋。對于過熱工件，進(jìn)行一次細(xì)化晶粒的退火或正火，然后再按工藝規(guī)程進(jìn)行淬火，便可以糾正過熱組織。
過燒是指工件在淬火加熱時，溫度過高，使奧氏體晶界發(fā)生氧化或出現(xiàn)局部熔化的現(xiàn)象，過燒的工件無法補(bǔ)救，只得報廢。（2）鋼的表面淬火
表面淬火是對工件表層進(jìn)行淬火的工藝。它是將工件表面進(jìn)行快速加熱，使其奧氏體化并快速冷卻獲得馬氏體組織，而心部仍保持原來塑性、韌性較好的退火、正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)的組織。表面淬火后需進(jìn)行低溫回火，以減少淬火應(yīng)力和降低脆性。表面淬火可有效提高工件表面層的硬度和耐磨性，達(dá)到外硬內(nèi)韌的效果，并可造成表面層壓應(yīng)力狀態(tài)，提高疲勞強(qiáng)度，延長工件的使用壽命。
1.感應(yīng)加熱表面淬火
感應(yīng)加熱表面淬火法的原理如圖1-66（a）所示。把工件放入由空心銅管繞成的感應(yīng)線圈中，當(dāng)感應(yīng)線圈通以交流電時，便會在工件內(nèi)部感應(yīng)產(chǎn)生頻率相同、方向相反的感應(yīng)電流。感應(yīng)電流在工件內(nèi)自成回路，故稱為“渦流”。渦流在工件截面上的分布是不均勻的，如圖1-66（b）所示，表面電流密度最大，心部電流密度幾乎為零，這種現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。由于鋼本身具有電阻，因而集中于工件表面的渦流，幾秒種可使工件表面溫度升至800～1000℃，而心部溫度仍接近室溫，在隨即噴水（合金鋼浸油）快速冷卻后，就達(dá)到了表面淬火的目的。
感應(yīng)加熱時，工件截面上感應(yīng)電流密度的分布與通入感應(yīng)線圈中的電流頻率有關(guān)。電流頻率愈高，感應(yīng)電流集中的表面層愈薄，淬硬層深度愈小。因此可通過調(diào)節(jié)通入感應(yīng)線圈中的電流頻率來獲得工件不同的淬硬層深度，一般零件淬硬層深度為半徑的1／10左右。對于小直徑（10～20mm）的零件，適宜用較深的淬硬層深度，可達(dá)半徑的1／5，對于大截面零件可取較淺的淬硬層深度，即小于半徑1／10以下。
2.火焰加熱表面淬火
火焰加熱表面淬火法是用乙炔一氧火焰（最高溫度3200℃）或煤氣一氧火焰（最高溫度2000℃），對工件表面進(jìn)行快速加熱，并隨即噴水冷卻。淬硬層深度一般為2～6mm。適用于單件小批量生產(chǎn)以及大型零件（如大型軸類、模數(shù)齒輪等）的表面淬火；鹧婕訜岜砻娲慊鸬膬(yōu)點是設(shè)備簡單，成本低，靈活性大。缺點是加熱溫度不易控制，工件表面易過熱，淬火質(zhì)量不夠穩(wěn)定。
3.激光加熱表面淬火
激光加熱表面淬火是以高能量激光束掃描工件表面，使工件表面快速加熱到鋼的臨界點以上，利用工件基體的熱傳導(dǎo)實現(xiàn)自冷淬火，實現(xiàn)表面相變硬化。
激光加熱表面淬火加熱速度極度快（105～106℃／s），因此過熱度大，相變驅(qū)動力大，奧氏體形核數(shù)目劇增，擴(kuò)散均勻化來不及進(jìn)行，奧氏體內(nèi)碳及合金濃度不均勻性增大，奧氏體中碳含量相似的微觀區(qū)域變小，隨后的快冷（104℃／s）中不同微觀區(qū)域內(nèi)馬氏體形成溫度有很大差異，產(chǎn)生細(xì)小馬氏體組織。由于快速加熱，珠光體組織通過無擴(kuò)散轉(zhuǎn)化為奧氏體組織；由于快速冷卻，奧氏體組織通過無擴(kuò)散轉(zhuǎn)化為馬氏體組織，同時殘余奧氏體量增加，碳來不及擴(kuò)散，使過冷奧氏體碳含量增加，馬氏體中碳含量增加，硬度提高。
激光加熱表面淬火后，工件表層獲得極細(xì)小的板條馬氏體和孿晶馬氏體的混合組織，且位錯密度極高，表層硬度比淬火＋低溫回火提高20％，即使是低碳鋼也能提高一定的硬度。
激光淬火硬化層深度一般為0.3～1mm，硬化層硬度值一致。隨零件正常相對接觸摩擦運動，表面雖然被磨去，但新的相對運動接觸面的硬度值并未下降，耐磨性仍然很好，因而不會發(fā)生常規(guī)表面淬火層由于接觸磨損，磨損隨之加劇的現(xiàn)象，耐磨性提高了50％，工件使用壽命提高了幾倍甚至十幾倍。
激光加熱表面淬火最佳的原始組織是調(diào)質(zhì)組織，淬火后零件變形極小，表面質(zhì)量很高，特別適用于拐角、溝槽、盲孔底部及深孔內(nèi)壁的熱處理，而這些部位是其它表面淬火方法極難做到的。（3）淬火處理的常見問題
Ms點隨C%的增加而降低,淬火時，過冷奧氏體開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的溫度稱之為Ms點，轉(zhuǎn)變完成之溫度稱之為Mf點。C%含量愈高，Ms點溫度愈降低。0.4%C碳鋼的Ms溫度約為350℃左右，而0.8%C碳鋼就降低至約200℃左右。
淬火液可添加適當(dāng)?shù)奶砑觿?
1、水中加入食鹽可使冷卻速率加倍：鹽水淬火之冷卻速率快，且不會有淬裂及淬火不均勻之現(xiàn)象，可稱是最理想之淬硬用冷卻劑。食鹽的添加比例以重量百分比10%為宜。
2、水中有雜質(zhì)比純水更適合當(dāng)淬火液：水中加入固體微粒，有助於工件表面之洗凈作用，破壞蒸氣膜作用，使得冷卻速度增加，可防止淬火斑點的發(fā)生。因此淬火處理，不用純水而用混合水之淬火技術(shù)是很重要的觀念。
3、聚合物可與水調(diào)配成水溶性淬火液：聚合物淬火液可依加水程度調(diào)配出由水到油之冷卻速率之淬火液，甚為方便，且又無火災(zāi)、污染及其他公害之慮，頗具前瞻性。
4、干冰加乙醇可用於深冷處理溶液：將干冰加入乙醇中可產(chǎn)生-76℃之均勻溫度，是很實用的低溫冷卻液。
（4）鋼淬火冷卻介質(zhì)
淬火冷卻時，既要快速冷卻以保證淬火工件獲得馬氏體組織，又要減少變形，防止裂紋產(chǎn)生。因此，冷卻是關(guān)系到淬火質(zhì)量高低的關(guān)鍵操作。
1、理想淬火冷卻速度
由共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線得知，要得到馬氏體，淬火的冷卻速度就必須大于臨界冷卻速度。但是淬火鋼在整個冷卻過程中并不需要都進(jìn)行快速冷卻。關(guān)鍵是在過冷奧氏體最不穩(wěn)定的C曲線鼻尖附近，即在650～400℃的溫度范圍內(nèi)要快速冷卻。而從淬火溫度到650℃之間以及400℃以下，特別是300～200℃以下并不希望快冷。因為淬火冷卻中工件截面的內(nèi)外溫度差會引起熱應(yīng)力。另外，由于鋼中的比容（單位質(zhì)量物質(zhì)的體積）不同，其中馬氏體的比容最大，奧氏體的比容最小，因此，馬氏體的轉(zhuǎn)變將使工件的體積脹大，如冷卻速度較大，工件截面上的內(nèi)外溫度差將增大，使馬氏體轉(zhuǎn)變不能同時進(jìn)行而造成相變應(yīng)力。冷卻速度越大，熱應(yīng)力和相變應(yīng)力越大，鋼在馬氏體轉(zhuǎn)變過程中便容易引起變形與裂紋。2、常用淬火介質(zhì)
工件淬火冷卻時，要使其得到合理的淬火冷卻速度，必須選擇適當(dāng)?shù)拇慊鸾橘|(zhì)。目前生產(chǎn)中應(yīng)用的冷卻介質(zhì)是水和油。當(dāng)冷卻介質(zhì)為20℃的自來水，工件溫度在200～300℃時，平均冷卻速度為450℃/s；工件溫度在340℃時，平均冷卻速度為775℃/s；工件溫度在500～650℃時，平均冷卻速度為135℃/s。因此，水的冷卻特性并不理想，在需要快冷的500～650℃溫度范圍內(nèi)，它的冷卻速度很小，而在200～300℃需要慢冷時，它的冷卻速度反而很大。
水
水是應(yīng)用最早、最廣泛、最經(jīng)濟(jì)的淬火介質(zhì)，它價廉易得、無毒、不燃燒、物理化學(xué)性能穩(wěn)定、冷卻能力強(qiáng)。通過控制水的溫度、提高壓力、增大流速、采用循環(huán)水、利用磁場作用等，均可以改善水的冷卻特性，減少變形和開裂，獲得比較理想的淬火效果。但由于這些方法需增加專門設(shè)備，且工件淬火后性能不是很穩(wěn)定，所以沒有能得到廣泛推廣應(yīng)用。所以說。純水只適合于少數(shù)含碳量不高、淬透性低且形狀簡單的鋼件淬火之用。淬火油
用于淬火的礦物油通常以精制程度較高的中性石蠟基油為基礎(chǔ)油，它具有閃點高、粘度低、油煙少，抗氧化性與熱穩(wěn)定性較好，使用壽命長等優(yōu)點，適合于作淬火油使用。淬火油只使用于淬透性好、工件壁厚不大、形狀復(fù)雜、要求淬火變形小的工件。淬火油對周圍環(huán)境的污染大，淬火時容易引起火災(zāi)。
影響淬火油冷卻能力的主要因素是其粘度值，在常溫下低粘度油比高粘度油冷卻能力大，溫度升高，油的流動性增加，冷卻能力有所提高。適當(dāng)提高淬火油的使用溫度，也能使油的冷卻能力提高。
熔鹽，熔堿
這類淬火介質(zhì)的特點是在冷卻過程中不發(fā)生物態(tài)變化，工件淬火主要靠對流冷卻，通常在高溫區(qū)域冷卻速度快，在低溫區(qū)域冷卻速度慢，淬火性能優(yōu)良，淬透力強(qiáng)，淬火邊形小，基本無裂紋產(chǎn)生，但是對環(huán)境污染大，勞動條件差，耗能多，成本高，常用于形狀復(fù)雜，截面尺寸變化懸殊的工件和工模具的淬火。熔鹽有氯化鈉，硝酸鹽，亞硝酸鹽等，工件在鹽浴中淬火可以獲得較高的硬度，而變形極小，不易開裂，通常用作等溫淬火或分級淬火。其缺點是熔鹽易老化，對工件有氧化及腐蝕的作用。熔堿有氫氧化鈉，氫氧化鉀等，它具有較大的冷卻能力，工件加熱時若未氧化，淬火后可獲得銀灰色的潔凈表面，也有一定的應(yīng)用。但熔堿蒸氣具有腐蝕性，對皮膚有刺激作用，使用時要注意通風(fēng)和采取防護(hù)措施。
新型淬火介質(zhì)及其應(yīng)用
有機(jī)聚合物淬火劑
近年來，新型淬火介質(zhì)最引人注目的 進(jìn)展是有機(jī)聚合物淬火劑的研究和應(yīng)用。這類淬火介質(zhì)是將有機(jī)聚合物溶解于水中，并根據(jù)需要調(diào)整溶液的濃度和溫度，配制成冷卻性能能滿足要求的水溶液，它在高溫階段冷卻速度接近于水，在低溫階段冷卻速度接近于油。其優(yōu)點是無毒，無煙無臭，無腐蝕，不燃燒，抗老化，使用安全可靠，且冷卻性能好，冷卻速度可以調(diào)節(jié)，適用范圍廣，工件淬硬均勻，可明顯減少變形和開裂傾向，因此，能提高工件的質(zhì)量，改善工作環(huán)境和勞動條件，給工廠帶來節(jié)能、環(huán)保、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。目前有機(jī)聚合物淬火劑更在大批量、單一品種的熱處理上用得較多，尤其對于水淬開裂，變形大，油淬不硬的工件，采用有機(jī)聚合物淬火劑比淬火油更經(jīng)濟(jì)、高效、節(jié)能。從提高工件質(zhì)量、改善勞動條件、避免火災(zāi)和節(jié)能得角度考慮，有機(jī)聚合物淬火劑有逐步取代淬火油的趨勢，是淬火介質(zhì)的主要發(fā)展方向。
有機(jī)聚合物淬火劑的冷卻速度受濃度，使用溫度和攪拌程度3個基本參數(shù)的影響。一般來說，濃度越高，冷卻速度越慢；使用溫度越高，冷卻速度越慢；攪拌程度越激烈，冷卻速度越快。攪拌的作用很重要；1使溶液濃度均勻；2加強(qiáng)溶液的導(dǎo)熱能力從而保證淬火后工件硬度高且分布均勻，減少產(chǎn)生淬火軟點和變形，開裂的傾向。通過控制上述這些因素，可以調(diào)整有機(jī)聚合物淬火劑的冷卻速度，從而達(dá)到理想的淬火效果。一般來說，夏季使用的濃度可低些，冬季使用的濃度可高些，而且要有充分的攪拌。有機(jī)聚合物淬火劑大多制成含水的溶液，在使用時可根據(jù)工件的特點和技術(shù)要求，加水稀釋成不同的濃度，便可以得到具有多種淬火烈度的淬火液，以適應(yīng)不同的淬火需要。
不同種類的有機(jī)聚合物淬火劑具有顯著不同的冷卻特性和穩(wěn)定性，能適合不同淬火工藝需要。目前世界上使用最穩(wěn)定，應(yīng)用面最廣的有機(jī)聚合物淬火劑是聚烷二醇（PAG）類淬火劑。這類淬火劑具有逆溶性，可以配成比鹽水慢而比較接近礦物油的不同淬火烈度的淬火液，其濃度易測易控，可減少工件的變形和開裂，避免淬火軟點的產(chǎn)生，使用壽命長，適合于各類感應(yīng)加熱淬火和整體淬火。（5）如何從淬火冷卻特性選擇淬火介質(zhì)
選擇淬火介質(zhì)，應(yīng)當(dāng)同時兼顧到對淬火介質(zhì)冷卻特性、穩(wěn)定性、可操作性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保等方面的要求。在這些要求中，最重要的是淬火介質(zhì)的冷卻特性。本文將以推理方式入手，通過分析討論，提出一套從冷卻特性選擇淬火介質(zhì)的可實用的原則方法。 鋼件淬火冷卻，希望的效果有三：1.獲得高而且均勻的表面硬度和足夠的淬硬深度；2.不淬裂；3.淬火變形小。選好用好淬火介質(zhì)是同時獲得這三項效果的基本保證。當(dāng)前，國內(nèi)外多以國際標(biāo)準(zhǔn)方法（ISO9950）測定，并用冷卻速度曲線來表征淬火介質(zhì)的冷卻特性。但是，對特定工件（即在鋼種、形狀大小和熱處理要求一定）的情況下，如何從冷卻特性上去選擇合適的淬火介質(zhì)？在生產(chǎn)現(xiàn)場，一個淬火槽中往往要淬多種不同鋼種、形狀、大小和熱處理要求的工件。在這種情況下，如何選定它們共同適用的一種淬火液？一般的熱處理車間，為滿足所有工件的熱處理要求，應(yīng)當(dāng)配備幾種淬火液？──關(guān)于這類實際生產(chǎn)需要解決的問題，至今研究很少。有人[1、2]做過一些工作，但都提不出系統(tǒng)實用的原則方法。
本文以過去工作為[4、6]基礎(chǔ)，從討論實際生產(chǎn)中一些工件"油淬不硬而水淬又裂"入手，通過推理和實例分析，提出了對特定工件按冷卻速度分布選擇淬火介質(zhì)的方法，并進(jìn)而確定了能供多種工件淬火的一種淬火液的選擇原則。
1 特定工件淬火的最低和最高冷卻速度分布線
從普通機(jī)油和自來水的冷卻速度分布（如圖1）可以看出，普通機(jī)油的冷卻速度慢，因而不少工件在其中淬不硬；而自來水的冷卻速度又太快，以致于多數(shù)鋼種不能在其中淬火。在圖中，自來水和普通機(jī)油之間有一個寬廣的"中間地帶"，只有普通機(jī)油和自來水的工廠，時常會遇到一些工件"油淬不硬而水淬又裂"的麻煩，原因就在這里？梢酝浦，對于一種這樣的工件，如果將機(jī)油的冷卻速度提高，該工件淬火硬度也會相應(yīng)提高。我們假定，當(dāng)機(jī)油的冷卻速度提高到圖2中帶齒線水平時，該工件剛好可以得到要求的淬火硬度。無疑， 冷速更高，淬火硬度還將進(jìn)一步提高。我們把它叫做允許的最低冷速分布線。同時，研究表明，自來水引起淬裂和變形，是自來水冷卻太快，尤其是鋼件冷到其過冷奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的溫度范圍時受到的冷卻太快的緣故。
于是又可以推知，如果能降低自來水的冷卻速度，尤其是在工件冷到較低的溫度以后的淬火冷卻速度，就可以減小工件淬裂的危險。假定自來水冷卻速度降到圖3中帶齒線所示的水平時，該類工件便不會再淬裂了，我們把這條線叫做此工件已確定條件下允許的最高冷速分布線。
把圖2和圖3合在一起，可以得到該工件能同時獲得前述三項淬火效果的淬火介質(zhì)的冷卻速度分布范圍，如圖4所示。圖中，只要所選的淬火介質(zhì)的冷卻速度分布曲線能全部落入這兩條曲線之間的區(qū)域內(nèi)，不管是快速淬火油還是水溶性淬火液，也不管這些淬火介質(zhì)的冷卻速度分布有何不同，上述工件在其中淬火都可以同時獲得所希望的淬硬而又不裂的效果。
從另一角度說，有兩種不同的淬火介質(zhì)，它們的冷卻速度分布有較大的差別。比如一種冷卻速度快，快到接近允許的最高冷卻速度線的水平，而另一種冷卻速度慢，慢到接近圖中最低冷卻速度線的水平。但由于二者的冷卻速度的分布都在允許的區(qū)域內(nèi)，因而，二者都可以選用；蛘哒f，對上述工件淬火冷卻而言，二者能同樣獲得滿意的淬火效果。
事實上，淬火冷卻過程在使鋼淬硬的同時，還會使工件發(fā)生一定程度的淬火變形。傳統(tǒng)的觀念認(rèn)為，淬火冷卻越快，工件的淬火硬度越高，淬火變形也越大；淬火冷卻慢，淬火態(tài)硬度不高，工件的淬火變形就越小。但是，實際的情況是大多數(shù)和比較大的淬火變形是由淬火冷卻偏慢，工件淬火硬度不足引起的。只有少數(shù)和較小的淬火變形是淬火冷卻偏快，淬火硬度偏高引起的。由于這樣的原因，本文把淬火硬度高低和淬火變形大小結(jié)合起來加以考慮。 本文作者在《解決淬火變形問題的新方法》[5]一文中，把鋼的頂端淬火曲線改成鋼的硬度-冷速曲線，如圖5所示。由鋼件的淬火硬度，可以從圖上確定一個冷卻速度值（指能獲得該淬火態(tài)硬度的效果冷卻速度）。根據(jù)特定工件淬火后的開裂、變形和硬度情況，圖5中把冷卻速度四個區(qū)，分別為過快冷速區(qū)，適度冷速區(qū)，不足冷速區(qū)和過慢冷速區(qū)，表中列出了工件獲得的冷速在這些區(qū)域內(nèi)的淬火效果。 可以看出，只有在第II，即適度冷速區(qū)冷卻，工件淬火后才能獲得希望的淬火三效果。
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