退火、正火、淬火、回火工藝（七）
- 發(fā)布者admin 點擊數:1877 發(fā)布時間:2016-03-21
3.1 淬火用油的選擇原則
淬火用油幾乎都是有較高閃點的礦物油，這些油的比熱約為自來水的1/2，導熱率約為自來水的1/4，對流開始溫度高，加上粘度遠比水高，使淬火用油的冷卻速度，尤其是低溫階段的冷卻速度遠比水低。 由于這樣的原因，絕大多數工件在油中淬火（包括各種快速油中）沒有淬裂危險，而通常擔心的是油的冷卻速度較低，使較厚大的工件或淬透性稍低的鋼種達不到要求的淬火硬度和淬硬深度，并因此發(fā)生較 大的變形。
為此，選用淬火用油時，往往只從各種工件的最低冷卻速度分布曲線去加以考慮。
圖11是幾種工件要求的最低冷卻速度分布。顯然，只有當選定的淬火油的冷卻速度分布曲線能從右邊將這幾種工件的最低溫度冷卻速度曲線包圍著，這幾種工件在其中淬火才能全部獲得淬火冷卻的三效果。 可以推知，一般說來，所選的油的蒸氣膜階段越短，對流開始溫度越低，且最高冷速越大，這樣的油的冷卻速度曲線可能從右邊包圍的最低冷卻速度分布曲線就越多，即適用的工件（鋼種）越多。這就是適于多種工件的淬火油的選擇原則。
3.2 水溶性淬火液的選擇原則 在水（及水溶液）中淬火的主要危險是淬裂，而降低水性淬火液的"300℃冷速"則可以減小這種危險。水性淬火劑（液）的"300℃冷速"越低，防止淬裂的能力就越強，因而適用的鋼種和工件就越多[5]。如果將多種工件的最高冷速分布曲線畫在一起，同樣可以畫出它們共同的第II區(qū)的右邊界線，得到的也是這樣的結論。 當水或水溶液液溫過高時，比如通常超過60℃后，淬火冷卻的蒸氣膜階段顯著增長，蒸氣膜相當穩(wěn)定，這時用于工件淬火，冷卻速度曲線容易從上方進入其第Ⅲ冷速區(qū)，從而引起淬火硬度不足和大的變形。所以，使用水性淬火液應當控制好液溫，一般以平均液溫不超過60℃為宜。 當淬火液的品種確定后，生產中還可以通過調節(jié)淬火液濃度、液溫和與工件的相對流速來改變工件淬火時的冷卻速度分布，以適應生產的需要。這方面的規(guī)律和方法可參考其它有關資料。
由上述分析可知，普通機油（如32號機油）冷卻能力并不高，卻可適于某些類工件淬火；普通自來水冷卻很快，卻仍可適于另外某些類工件淬火。由于在普通機油與自來水的冷卻速度分布曲線之間有很寬廣的空白地帶，只配備普通機油和自來水是不夠的。那么，一般機械廠的熱處理車間應當配備哪幾種淬火液，才能滿足大多數工件的淬火需要呢？根據前面的分析討論，建議為普通熱處理車間配備以下四種淬火液（槽）：
1.將普通機油換成一種快速淬火油，其冷卻特性應為：淬火冷卻的蒸氣膜階段短，對流開始溫度低，且最高冷速大。
2.一種性能穩(wěn)定、可操作性強的水溶性淬火液，其30℃液溫，不攪動情況下的300℃冷速在20～30℃/s之間。
3.一種性能穩(wěn)定、可操作性強的水溶性淬火液，其30℃液溫，不攪動情況下的300℃冷速在50～70℃/s之間。
4.自來水如果所處理的工件種類不太多，也可以用一種300℃冷速在30～50℃/s之間的水溶性淬火液代替2、3兩種淬火液，即共配制三種淬火液（槽）。
4 結論──從冷卻速度選擇淬火介質的原則
通過本文的分析可以說明：
1.為什么同一種工件可以在多種不同冷卻特性的淬火介質中淬火而都達到該工件的熱處理要求。
2.為什么多種不同的工件可以在同一種淬火介質中淬火而都達到各自的熱處理要求。
3.特定工件選擇淬火介質應同時從五方面加以考慮：一看鋼的碳含量多少，二看鋼的淬透性高低，三看工件的有效厚度，四看工件的形狀復雜程度，五看允許的變形大小。
4.對淬火用油，從冷卻速度分布上看，它的蒸氣膜階段越短，對流開始溫度越低，最高冷速越大，則該種油適用的鋼種和工件就越多。
5.對水性淬火液，從冷卻速度分布曲線上看，它的300℃冷卻速度越低，則它適用的鋼種和工件就越多。
（6）自來水做淬火介質的兩大缺點
從自來水淬火時工件容易淬裂、硬度不均且畸變大等現象，列出了自來水作為淬火介質的兩大缺點：一是低溫冷卻速度太快，二是冷卻特性對水溫變化太敏感。分析了自來水第二大缺點引起淬火硬度不均和畸變的原因。通過與氣態(tài)介質的對比，指出了液態(tài)淬火介質共同的兩類缺點：一是任何確定的液態(tài)介質，其冷卻速度的可調節(jié)范圍都很有限，以致同一個車間必須配備普通淬火油、中速淬火油和高速淬火油，才能滿足不同工件的需要；二是工件從蒸汽膜階段到沸騰階段期間，冷卻速度突然增大，可能引起較大的淬火變形。提供了克服液態(tài)淬火介質第二類缺點的七類技術方法。
關鍵詞：水；淬火介質；淬火冷卻；淬火冷卻畸變
1 自來水的兩大缺點
多數工件用自來水淬火會開裂，淬裂的原因是眾所周知的：自來水的低冷卻速度太快。這是自來水的一大缺點。
用水作冷卻介質，還遇到另外的問題。例如，多個工件采取比較密集的方式同時入水時，淬火后會有顯著的硬度差異。為此，現在的多用爐基本不用水性淬火介質。又如，工件上有較深的內孔、工件為大薄片狀、以及形狀復雜時，水淬后往往出現嚴重的硬度不均和較大的淬火畸變。同樣的情況，在油中淬火時，則不會發(fā)生這樣嚴重的問題。引起這些問題的原因是，水的冷卻特性對水溫變化太敏感。圖1a是溫度對自來水冷卻特性的影響曲線[1]。容易推知，當單個工件在自來水中淬火時，由于形狀或所處位置的原因，工件不同部位的表面接觸的水溫是不同的：工件上的凹進部分接觸的水溫高，而突出部分接觸的水溫則相對要低些。位于下面部分接觸的水溫較低，上面部位接觸的水溫較高。當多個工件以比較密集裝掛的方式同時入水時，位于外面的工件接觸的水溫較低，而內部的工件接觸的水溫則較高。再加上同一工件朝外的面接觸的水溫較低，朝里的面接觸水溫則較高。不同的水溫對應不同的冷卻特性，其結果就引起了上述種種問題。圖1b為溫度對油的冷卻特性的影響曲線。由圖1的對比，可以看出水溫對冷卻特性的影響是很大的。我們把冷卻特性對液溫變化太敏感列為自來水的第二大缺點。
有機聚合物水溶液，比如PAG淬火液、聚乙烯醇水溶液等也都有相同的缺點。圖1c為不同液溫的10％硫酸鈉水溶液的冷卻特性曲線。由圖1c可見，10％的無機鹽（或堿）溶入水中，可以大大減小冷卻特性對水溫的敏感性程度。與單純自來水相比，直到水溫達到70℃，其冷卻特性對液溫的敏感程度還是比較小的。表1為自來水、PAG淬火液和淬火油等液體介質的上述兩項特性。上述對液溫的敏感性，主要是通過液溫對冷卻過程中蒸汽膜階段長短的影響，而最終反映在同一工件的不同部位之間、不同工件之間、以及不同批次淬火工件之間出現大的硬度差異和嚴重的淬火中畸變上。
表1 不同種類液體介質的兩大特點對比
Table 1 Comparison of two main features of different liquid quenching medium 介質名稱 自來水 油 PAG淬火液 10%無機鹽(或堿)的水溶液 熔融鹽浴(如硝鹽浴) 防止鋼件淬裂的能力 差 好 濃度適當時相當好 差 好 冷卻特性對液溫的穩(wěn)定性 差 好 較差 較好 好2 冷卻速度曲線上出現3個區(qū)段的條件
在研究無機鹽水溶液時，曾經有過一種錯誤的說法：“在任何液體介質中淬火冷卻，都會出現蒸汽膜（膜沸騰）階段、（泡）沸騰階段和對流冷卻階段”。即便在采用1000張/s的快速攝影也沒有發(fā)現蒸汽膜階段時，也仍然堅持這一看法。
為了說明上述說法的錯誤所在，我們簡單分析一下上述3個階段的成因。在冷卻的蒸汽膜階段，紅熱工件被水蒸氣包裹著，如圖2所示。此時，工件表面向外部散熱是通過熱輻射和水蒸氣的對流來實現的。其中，熱輻射的作用最大？枯椛錈嵋约皩α鱾鬟f的熱使包裹蒸汽膜的汽－液界面發(fā)生沸騰。沸騰產生的水蒸氣充實進蒸汽膜中，使膜內的蒸汽壓足以抵擋外部液體的壓力，則蒸汽膜得以維持。我們知道，物體表面向外輻射的熱量與該表面的絕對溫度的4次方成正比。因此，工件表面溫度越高，汽－液界面上的沸騰就越激烈。其結果蒸汽膜就越厚，也越穩(wěn)定。由于穩(wěn)定的蒸汽膜階段幾乎沒有氣泡進入液相中，我們可以把氣液界面包裹著的部分看成一個體系。這個體系的外部是氣體，里面包裹著的是固體。這個體系對外的熱散失主要是靠對流來進行。接觸上述體系的液體被加熱，再通過對流把熱量帶到更遠處。其情形就像始終保持在100℃的工件在水中的散熱情況一樣。隨著冷卻的進行，工件表面溫度降低，汽－液界面上沸騰的激烈程度會迅速降低。蒸汽膜階段的冷卻速度隨之減小。由于沸騰區(qū)域的汽－液界面上發(fā)生著的是水蒸汽?水的雙向變化，當水沸騰產生的水蒸氣的量少于膜內的水蒸氣變成水所損失的量時，包裹工件的蒸汽膜就會變薄。當蒸汽膜內保有的水蒸氣少到不能抵擋外部液體的壓力時，蒸汽膜就會破裂。蒸汽膜階段也就終止了。工件上該部位也就進入了沸騰冷卻階段。綜上所述，工件（或探棒）冷卻過程中是否出現蒸汽膜階段，完全決定于工件表面的溫度高低。只有工件表面溫度超過一定程度后，冷卻過程中才會出現蒸汽膜階段。這個特定的溫度值是隨工件的特點、所用介質的特性和其它有關條件而變的。只有工件的表面溫度高于上述特定的溫度值時，才可能出現和維持冷卻的蒸汽膜階段。低于這個值，就形不成完整而穩(wěn)定的蒸汽膜，也就見不到冷卻的蒸汽膜階段。我們把這個特定溫度叫做該介質在當時的使用條件下的特性溫度。和在統(tǒng)一約定的條件下，評價不同介質品種的冷卻特性的標準相比，上述特定溫度應當是廣義的特性溫度；而標準中的則是狹義的特性溫度。狹義的特性溫度的測定條件大多是：在介質不攪動的條件下，水性樣品用30℃的液溫，快速油用50℃的油溫，熱油用100℃的油溫。同時要說明的是，采用熱電偶熱端位于探頭中心的測定標準側出的特性溫度值，總是低于工件表面實際的特性溫度值。此外，我們從道理上討論特性溫度問題時，用的是工件表面的實際的特性溫度，也就是廣義的特性溫度。實際工件淬火時，表面的不同部位在不同的時間接觸的介質的特性溫度是不相同的，并且是在變化的。工件表面溫度低于介質的上述特性溫度，就進入沸騰冷卻階段。在沸騰冷卻階段，工件的散熱途徑更為多樣，既包含介質與工件表面直接接觸的熱轉遞散熱、介質變成蒸汽的吸熱，也包括所有情況下的表面熱輻射散熱和對流傳熱散熱。當表面溫度降低到稍高于介質的沸點溫度時，沸騰冷卻階段就結束了。繼續(xù)冷卻就主要靠介質接觸工件的熱轉遞和介質的對流散熱來完成，直至工件表面溫度與介質溫度相同為止。
綜上所述，在液體介質中做淬火冷卻，當介質的平均溫度低于介質的沸點溫度時，可能出現的冷卻階段為：①如果淬入工件的表面溫度高于所用介質的特性溫度，冷卻過程將出現蒸汽膜階段、沸騰階段和對流階段。② 當淬入工件的表面溫度處于介質的特性溫度和介質的沸點溫度之間時，出現沸騰階段和對流階段。③當淬入工件的表面溫度等于低于介質的沸點溫度時，就只有對流冷卻階段了。圖3概括了上述3種情況的冷卻速度曲線的形狀特點。3 發(fā)生超差畸變的3要素
在熱處理生產現場，說工件發(fā)生了變形指的是工件的畸變量超過了技術指標規(guī)定的程度，也就是發(fā)生了超差畸變。產生熱處理超差畸變的3要素為：足夠大的應力，足夠好的塑性以及足夠長的作用時間。任何熱處理超差變形都需要這三個要素，只是3者的大小關系是可以互補的。如果應力很大，材料的塑性好，作用時間雖短，也會引起大的畸變。比如紅熱工件在轉移中受到沖撞引起的畸變。塑性好，作用時間很長，即便應力不大，也可能引起大的畸變。比如淬火加熱時，工件堆放不當，疊壓或者自重引起的應力雖然不大，但因加熱時間長，也容易造成超差畸變。又如，在淬火冷卻初期，因工件的塑性好，介質攪動過于強烈，液流沖擊到細長工件，也會引起超差的彎曲變形。這些都是外力引起的變形。一般說，因外力引起的畸變問題，其解決辦法相對比較簡單。高溫時，過冷奧氏體的塑性較好，而冷到能發(fā)生馬氏體轉變時，奧氏體的塑性就相當差了。同時，馬氏體轉變經歷的時間也相當的短。雖然如此，馬氏體轉變前后的比容差引起的應力非常之大，仍有可能造成超差的畸變。這是內應力引起的畸變。
因內應力引起的畸變，情況要復雜得多。內應力的來源比較多，但通常可以歸為熱應力和組織轉變應力兩類。冷卻過程中，組織轉變應力又常常和熱應力共同存在，相互疊加或對消。內應力都是在變化著大小和分布中起作用。加上工件的形狀因素，它們的作用情況就更加復雜。其中，值得注意的有3點：①在液體介質中淬火冷卻時，形狀較復雜的工件不同部位表面溫度差別會很大。冷得快的部分一旦冷到所用液體介質的特性溫度以下，表面附近就立即從蒸汽膜階段進入沸騰冷卻階段。這部分表面獲得的冷卻速度會突然大增，與附近仍然處于蒸汽膜階段部分的溫度差異就會急劇增大。溫差大，熱應力也就大。如果該介質的特性溫度偏低，冷得慢的部分將長期處于蒸汽膜階段，使上述熱應力長期起作用。在介質特性溫度附近，過冷奧氏體的塑性一般較好。應力大，材料塑性好，加上作用時間長，就容易引起超差畸變。②冷卻速度過快時，工件不同部位的溫差較大，過冷奧氏體轉變成馬氏體時的體積膨脹，可能引起很大的內應力，使還未發(fā)生馬氏體轉變的過冷奧氏體產生一定量的塑性變形。③淬火冷卻的速度不足時，在相當于端淬曲線上馬氏體組織的百分比急劇變化的區(qū)域，不大的冷卻速度差異，常常也引起較大的內應力，最終引起大的畸變，且淬火硬度不足。
材料的塑性與材料的溫度密切相關。高溫下，材料的塑性好，容易發(fā)生變形。此外，在材料發(fā)生相變過程中，因出現相變超塑性，使塑性變形更容易。因為裝放不當，在淬火加熱過程中由外力引起的熱處理畸變，就有一部分是珠光體轉變成奧氏體過程中增加的超塑性引起的。工件加熱中由珠光體轉變成奧氏體時有超塑性。過冷奧氏體發(fā)生馬氏體轉變時有超塑性。就連馬氏體發(fā)生回火轉變時也有超塑性。大薄片工件的淬火冷卻畸變，用加壓回火來加以校正，靠的主要是回火轉變時的相變超塑性。這種辦法只在第一次回火時有效，原因就在這里。
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