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熱處理-鋼的淬火工藝
來源:
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作者:鼎言熱處理
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發(fā)布時間: 2019-10-28
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將工件加熱到Ac3或Ac1以上一定溫度,保溫一定時間,使之全部或部分奧氏體化后以適當?shù)姆绞嚼鋮s,獲得馬氏體或(和)貝氏體組織的熱處理工藝,稱為淬火。淬火是強化鋼材,充分發(fā)揮鋼材性能潛力的重要手段,通常需與回火配合使用,才能獲得各類零件或工具的使用性能要求
1.淬火工藝
(1)淬火加熱參數(shù)的確定。淬火加熱溫度主要根據(jù)鋼的化學成分,結合具體工藝因素進行確定。鋼的化學成分是確定淬火加熱溫度的主要因素,應以Fe-Fe3C相圖中鋼的臨界溫度作為主要依據(jù)。亞共析鋼的淬火加熱溫度應選擇在Ac3以上30--50℃,該溫度加熱能得到細晶粒的奧氏體,淬火后獲得細小的馬氏體組織,從而獲得較好的力學性能。共析鋼、過共析鋼的溶火加熱溫度應選擇在Ac1以上30~50℃,在該溫度加熱可獲得細小的奧氏體和碳化物,淬火后獲得在馬氏體基體上均勻分布細小碳體的組織,不僅耐磨性好,而且脆性也小。合金鋼的淬火溫度大致上可參考上述范圍?？紤]到合金元素會阻得碳的擴散,它們本身的擴散也比較困難,故其淬火溫度可取上限或更高一些。圖3-5為碳鋼常用淬火加熱溫度范圍示意圖,圖中的陰影線區(qū)域為淬火加熱溫度范圍。
圖3-5碳鋼常采用淬火加熱溫度范圍示意圖
(2)淬火加熱保溫時間的確定。淬火加熱速度和淬火加熱保溫時間也是淬火加熱的兩個重要參數(shù)。對形狀復雜、要求變形小或用高合金鋼制造的工件、大型合金鋼鍛件,必須限制加熱速度,以減少淬火變形及開裂傾向,而形狀簡單的碳鋼、低合金鋼,則可快速加熱。加熱保溫時間主要取決于材料本身的導熱性、工件的形狀尺寸、奧氏體化時間,同時還要注意碳化物、合金元素溶解的難易程度以及鋼的過熱傾向,如某些鋼為縮短高溫加熱時間及減小內(nèi)應力,可進行分段預熱。估算加熱時間的經(jīng)驗公式如下：
T= akD
式中,T為加熱時間(min)
a為加熱系數(shù)(min/mm);
k為工件裝爐系數(shù)
D為工件的有效厚度(mm)。
工件的有效厚度按下述原則確定:軸類工件以其直徑為有效厚度;板狀或盤狀工件以其厚度作為有效厚度;套筒類工件內(nèi)孔小于壁厚者,以其外徑作為有效厚度;若內(nèi)孔大于壁厚者,則以壁厚為有效厚度;圓錐形工件以離小頭2/3處直徑作為有效厚度,復雜工件以其主要工作部分尺寸作為有效厚度;工件的有效厚度乘以工件的形狀系數(shù)作為計算厚度。
2.淬火方法
淬火介質(zhì)確定后,還需選擇合理的淬火冷卻方法,以保證既能實現(xiàn)淬火目的,又能最大限度地減小變形和防止開裂?，F(xiàn)代淬火工藝方法不僅有奧氏體化直接淬火,而且還有能夠控制淬火后組織性能及減小變形的各種淬火工藝方法,甚至可以把淬火冷卻過程直接與熱加工工序結合起來,如鑄造淬火、鍛后淬火、形變淬火等。淬火工藝方法應根據(jù)材料及其對組織、性能和工件尺寸精度的要求,在保證技術條件要求的前提下,充分考慮經(jīng)濟性和實用性來選擇。常用的幾種淬火方法的工藝特點如下。
(1)單介質(zhì)淬火。將奧氏體化的工件直接淬入單一淬火介質(zhì)中連續(xù)冷卻到室溫的方法,稱為單介質(zhì)淬火,對于形狀復雜者可以預冷后淬入。例如,水或鹽水的冷卻能力較強,適合于大尺寸、淬透性較差的碳鋼件;油的冷卻能力較弱,適合于淬透性較好的合金鋼件及大尺寸的碳鋼件。單介質(zhì)淬火工藝過程簡單,操作方便,適于大批量生產(chǎn),易于實現(xiàn)機械化和自動化。但由于采用一種不變冷卻速度的介質(zhì),當采用水淬時,鋼件在馬氏體轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生較大的淬火應力,易產(chǎn)生變形開裂,某些鋼用油淬又不易達到所需的硬度,所以,單介質(zhì)淬火只適用于形狀簡單的工件。
(2)雙介質(zhì)淬火(雙液淬火)。將工件加熱到奧氏體化后,先淬入一種冷卻能力強的介質(zhì)中,在即將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變之前立即淬入另一種冷卻能力弱的介質(zhì)中冷卻的方法。常用的雙介質(zhì)淬火方法有水-油、水一空氣等,由水到油,所需要的時間不超過1-2s。這種淬火方法的優(yōu)點是既能保證獲得馬氏體,又降低了馬氏體轉(zhuǎn)變時的冷卻速度,減小了工件產(chǎn)生淬火內(nèi)應力、變形和裂紋的危險,但在實際操作中有一定的困難,主要是不容易控制從一種介質(zhì)轉(zhuǎn)入另一種介質(zhì)的時間或溫度,此方法主要適用于形狀復雜的碳鋼件及尺寸較大的合金鋼件,特別適用于高碳鋼工件
(3)分級淬火。它是將奧氏體狀態(tài)的工件首先淬入略高于鋼的M點的鹽浴或堿浴爐中保溫,當工件內(nèi)外溫度均勻后,再從浴爐中取出空冷至室溫,完成馬氏體轉(zhuǎn)變。這種淬火方法由于工件內(nèi)外溫度均勻并在緩慢冷卻條件下完成馬氏體轉(zhuǎn)變,不僅減小了淬火熱應力(比雙液淬火小),而且顯著降低組織應力,因而有效地減小或防止了工件淬火變形和開裂。克服了雙液淬火出水入油時間難以控制的缺點。但這種淬火方法由于冷卻介質(zhì)溫度較高,工件在浴爐冷卻速度較慢,而等溫時間又有限制,所以,大截面零件難以達到其臨界淬火速度。因此,分級淬火只適用于尺寸較小的工件,如刀具、量具和要求變形很小的精密工件“分級”溫度也可取略低于Ms點的溫度,此時由于溫度較低冷卻速度較快,等溫以后已有相當一部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,當工件取出空冷時,剩余奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。這種淬火方法適用于較大工件。
(4)貝氏體等溫淬火(等溫淬火)。將工件加熱到奧氏體化后,快速冷卻到貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間(260~400℃),保持一定時間,使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w組織的淬火工藝,稱為貝氏體等溫淬火。等溫淬火實際上是分級淬火的進一步發(fā)展。等溫淬火的加熱溫度通常比普通淬火高些,目的是提高奧氏體的穩(wěn)定性和增大其冷卻速度,防止等溫冷卻過程中發(fā)生珠光體型轉(zhuǎn)變。等溫溫度和時間應視工件組織和性能要求,由該鋼的C曲線確定。由于等溫溫度比分級淬火高,減小了工件與淬火介質(zhì)的溫差,從而減小了淬火熱應力,又因貝氏體比熱容比馬氏體小,而且工件內(nèi)外溫度一致,故淬火組織應力也較小。因此,等溫淬火可以顯著減小工件的變形和開裂傾向,適于處理形狀復雜、尺寸要求精確,強度、韌性要求都很高的小型工件和重要的機器零件,如模具齒輪、成形刃具和彈簧等。同分級淬火一樣,等溫淬火也只能適用于尺寸較小的工件。
(5)噴射淬火法。它是向工件噴射急速水流的淬火方法這種方法主要用于局部淬火的工件。由于這種淬火方法不會在工件表面形成蒸汽膜,故可保證比普通水淬得到更深的淬硬層。采用細密水流并使工件上下運動或旋轉(zhuǎn),可保證實現(xiàn)工件均勻冷卻淬火。
除了上述幾種典型的淬火方法外,近年來還發(fā)展了許多提高鋼的強韌性的新的淬火工藝,如高溫淬火,循環(huán)快速加熱淬火高碳鋼低溫、快速、短時加熱淬火和亞共析鋼的亞溫淬火等、
3.淬火介質(zhì)
淬火介質(zhì)是在淬火工藝中所采用的冷卻介質(zhì)。淬火介質(zhì)的冷卻能力必須保證工件以大于臨界冷卻速度的冷卻速度冷卻才能獲得馬氏體,但過高的冷卻速度又會增加工件的截面溫差使熱應力與組織應力增大,容易造成工件淬火冷卻變形和開裂。所以,淬火介質(zhì)的選擇是個重要的問題。鋼的理想淬火冷卻速度如圖3-6所示。
由圖可見,理想淬火冷卻速度是在過冷奧氏體分解最快的溫度范圍內(nèi)(等溫轉(zhuǎn)變曲線鼻尖處)具有較大的冷卻速度,以保證過冷奧氏體不分解為珠光體;而在進行馬氏體轉(zhuǎn)變時,即在M點以下溫度的冷卻速度應盡量小些,以減小組織轉(zhuǎn)變應力。由于各種鋼的過冷奧氏體的穩(wěn)定性不高,以及實際工件尺寸形狀的差異,同時能適合各種鋼材不同尺寸工件的淬火介質(zhì)是不現(xiàn)實的。
淬火介質(zhì)的種類很多,常用的淬火介質(zhì)有水、鹽水、油、熔鹽、空氣等。各種淬火介質(zhì)的冷卻能力用淬火冷卻烈度(H值)表示,其數(shù)字較大,表明該介質(zhì)的冷卻能力越強。表3-8為幾種淬火介質(zhì)的冷卻烈度值。從表中可見,水和鹽水的冷卻能力最強,油的冷卻能力較弱,空氣最弱。為了改善冷卻條件,提高冷卻速度,一般在淬火時工件或淬火介質(zhì)應進行運動。
生產(chǎn)中使用的淬火介質(zhì)可分為兩大類:一類是淬火過程中要發(fā)生物態(tài)變化的介質(zhì),如水溶液及油類等。此類介質(zhì)沸點較低,工件的冷卻主要依靠介質(zhì)的汽化來進行;另一類是淬火過程中不發(fā)生物態(tài)變化(或變化較少)的介質(zhì),如熔鹽、熔堿及氣體等。工件在此類介質(zhì)中的冷卻主要依靠輻射、對流和傳導來進行
4.鋼的淬透性及淬硬性
(1)鋼的淬透性。淬透性是指鋼在淬火時獲得馬氏體的能力,它是鋼材本身固有的一個屬性,是衡量不同鋼種接受淬火能力的重要指標,它是選材和制訂熱處理工藝的重要依據(jù)之一。淬透性是在規(guī)定條件下,鋼試樣淬硬深度和硬度分布表征的材料特性。鋼的淬透性與過冷奧氏體的穩(wěn)定性有關,主要決定于化學成分和奧氏體化條件。一般情況下,鋼中合金元素數(shù)量和種類越多,鋼中含碳量越接近于共析成分,則奧氏體越穩(wěn)定,鋼的淬透性越好。同時,熱處理加熱溫度越高,保溫時間越長,得到的奧氏體越穩(wěn)定,鋼的淬透性也越好。其大小用鋼在一定條件下淬火所獲得的淬透層深度來表示。不同鋼種在淬火時獲得馬氏體的能力不同,工件截面上由表面到內(nèi)部得到的馬氏體的深度也不同,得到馬氏體組織的深度越大,則該鋼種的淬透性越高。淬透性主要取決于鋼的臨界冷卻速度,與過冷奧氏體的穩(wěn)定性有密切的關系,過冷奧氏體越穩(wěn)定,則孕育期越長,鋼的臨界冷卻速度就越小,其淬透性越大。影響淬透性的主要因素有鋼的化學成分、奧氏體晶粒尺寸、奧氏體成分的均勻性及未溶第二相等。碳濃度越接近共析成分,奧氏體越穩(wěn)定,淬透性越好,溶于奧氏體的合金元素一般使C曲線右移,即淬透性增大;奧氏體晶粒越粗大,鋼的淬透性越好;奧氏體的成分越均勻,淬透性越大;奧氏體中未溶第二相越多,越易分解,淬透性越小。合金鋼的淬透性比碳鋼好,尺寸較大的工件亦可淬透,由表及里均可獲得較好的綜合力學性能,而且可以采用較為緩和的冷卻介質(zhì)(如油冷,甚至是空冷),以減少淬火應力,減少變形與開裂的危險。
淬透性測定的方法有多種,如斷口評級法、碳素工具鋼淬透性試驗法、計算法及結構鋼末端淬透性試驗法(簡稱端淬法)等。端淬法是測定結構鋼淬透性最常用的方法,也可用于測定彈簧鋼、軸承鋼、工具鋼的淬透性。GB225-1988規(guī)定了端淬法測定淬透性的試樣形狀、尺寸及實驗方法。淬透性用淬透性曲線(也稱為端淬曲線或H曲線)來表示,由于每一種鋼的成分均定的波動范圍,所以,端淬曲線也在一定范圍內(nèi)波動,形成個“淬透性帶“
淬透性可用規(guī)定條件測得的淬硬層深度及分布曲線來表示澤硬深度一般是指從溶硬的工件表面量至規(guī)定硬度(一般為550HV)處的垂直距離。測得的淬硬深度越大,表明材料的淬透性越好。淬透性的表示方法有:U曲線法、臨界淬透直徑法及淬透性曲線等。U曲線的數(shù)值隨試樣尺寸和冷卻介質(zhì)的不同而變化,因而很少采用。臨界直徑是指工件在某種介質(zhì)中淬火后,心部能淬透(心部獲全部或半馬氏體組織)的最大直徑,用D0來表示,D0越大,表示這種鋼的淬透性越高。常用鋼材的臨界直徑見表3-9。根據(jù)鋼的淬透性曲線,鋼的淬透性值通常用J=HrC/d表示。J表示末端淬透性,d表示至末端的距離,HRC表示40在該處測得的硬度值。例如淬透性值j=40/5,即表示在淬透性帶上距末端5mm處的硬度值為HRC40。
淬透性曲線可用來:估算鋼的臨界直徑;求出不同直徑棒材截面上的硬度分布;根據(jù)工件的工藝要求,選擇適當鋼種及其熱處理規(guī)范;確定工件的淬硬層深度。
鋼的淬透性對于合理選用鋼材,正確制訂熱處理工藝,都具有非常重要的意義。例如,對于大截面、形狀復雜和在動載荷下工作的工件,以及承受軸向拉壓的連桿、螺栓、拉桿、鍛模等要求表面和心部性能均勻一致的零件,應選用淬透性良好的鋼材以保證心部淬透;對于承受彎曲、扭轉(zhuǎn)應力(如軸類)以及表面要求耐磨并承受沖擊力的模具,因應力主要集中在表面,因此,可不要求全部淬透,而選擇淬透性較差的鋼材;焊接件一般不選用淬透性好的鋼,否則在焊接和熱影響區(qū)將出現(xiàn)淬火組織造成焊件變形、開裂。
(2)鋼的淬硬性。鋼的淬硬性也稱可硬性,是指鋼淬火后所能達到的最高硬度,它主要決定于鋼中的含碳量,而合金元素對淬硬性影響不大。這是因為合金元素在馬氏體的晶格中不是處于間隙位置,而是置換了某些鐵原子,對馬氏體晶格所造成的畸變遠不及碳的作用大。淬透性與淬硬性是兩個完全不同的概念。淬硬性主要取決于馬氏體的含碳量,淬火加熱時固溶于奧氏體中的碳越多,淬火后的硬度越高,淬硬性與合金元素基本無關。淬硬性高的鋼,不一定淬透性就好;而淬硬性低的鋼,也可能具有好的淬透性。
1.淬火工藝
(1)淬火加熱參數(shù)的確定。淬火加熱溫度主要根據(jù)鋼的化學成分,結合具體工藝因素進行確定。鋼的化學成分是確定淬火加熱溫度的主要因素,應以Fe-Fe3C相圖中鋼的臨界溫度作為主要依據(jù)。亞共析鋼的淬火加熱溫度應選擇在Ac3以上30--50℃,該溫度加熱能得到細晶粒的奧氏體,淬火后獲得細小的馬氏體組織,從而獲得較好的力學性能。共析鋼、過共析鋼的溶火加熱溫度應選擇在Ac1以上30~50℃,在該溫度加熱可獲得細小的奧氏體和碳化物,淬火后獲得在馬氏體基體上均勻分布細小碳體的組織,不僅耐磨性好,而且脆性也小。合金鋼的淬火溫度大致上可參考上述范圍?？紤]到合金元素會阻得碳的擴散,它們本身的擴散也比較困難,故其淬火溫度可取上限或更高一些。圖3-5為碳鋼常用淬火加熱溫度范圍示意圖,圖中的陰影線區(qū)域為淬火加熱溫度范圍。
圖3-5碳鋼常采用淬火加熱溫度范圍示意圖
(2)淬火加熱保溫時間的確定。淬火加熱速度和淬火加熱保溫時間也是淬火加熱的兩個重要參數(shù)。對形狀復雜、要求變形小或用高合金鋼制造的工件、大型合金鋼鍛件,必須限制加熱速度,以減少淬火變形及開裂傾向,而形狀簡單的碳鋼、低合金鋼,則可快速加熱。加熱保溫時間主要取決于材料本身的導熱性、工件的形狀尺寸、奧氏體化時間,同時還要注意碳化物、合金元素溶解的難易程度以及鋼的過熱傾向,如某些鋼為縮短高溫加熱時間及減小內(nèi)應力,可進行分段預熱。估算加熱時間的經(jīng)驗公式如下：
T= akD
式中,T為加熱時間(min)
a為加熱系數(shù)(min/mm);
k為工件裝爐系數(shù)
D為工件的有效厚度(mm)。
工件的有效厚度按下述原則確定:軸類工件以其直徑為有效厚度;板狀或盤狀工件以其厚度作為有效厚度;套筒類工件內(nèi)孔小于壁厚者,以其外徑作為有效厚度;若內(nèi)孔大于壁厚者,則以壁厚為有效厚度;圓錐形工件以離小頭2/3處直徑作為有效厚度,復雜工件以其主要工作部分尺寸作為有效厚度;工件的有效厚度乘以工件的形狀系數(shù)作為計算厚度。
2.淬火方法
淬火介質(zhì)確定后,還需選擇合理的淬火冷卻方法,以保證既能實現(xiàn)淬火目的,又能最大限度地減小變形和防止開裂?，F(xiàn)代淬火工藝方法不僅有奧氏體化直接淬火,而且還有能夠控制淬火后組織性能及減小變形的各種淬火工藝方法,甚至可以把淬火冷卻過程直接與熱加工工序結合起來,如鑄造淬火、鍛后淬火、形變淬火等。淬火工藝方法應根據(jù)材料及其對組織、性能和工件尺寸精度的要求,在保證技術條件要求的前提下,充分考慮經(jīng)濟性和實用性來選擇。常用的幾種淬火方法的工藝特點如下。
(1)單介質(zhì)淬火。將奧氏體化的工件直接淬入單一淬火介質(zhì)中連續(xù)冷卻到室溫的方法,稱為單介質(zhì)淬火,對于形狀復雜者可以預冷后淬入。例如,水或鹽水的冷卻能力較強,適合于大尺寸、淬透性較差的碳鋼件;油的冷卻能力較弱,適合于淬透性較好的合金鋼件及大尺寸的碳鋼件。單介質(zhì)淬火工藝過程簡單,操作方便,適于大批量生產(chǎn),易于實現(xiàn)機械化和自動化。但由于采用一種不變冷卻速度的介質(zhì),當采用水淬時,鋼件在馬氏體轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生較大的淬火應力,易產(chǎn)生變形開裂,某些鋼用油淬又不易達到所需的硬度,所以,單介質(zhì)淬火只適用于形狀簡單的工件。
(2)雙介質(zhì)淬火(雙液淬火)。將工件加熱到奧氏體化后,先淬入一種冷卻能力強的介質(zhì)中,在即將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變之前立即淬入另一種冷卻能力弱的介質(zhì)中冷卻的方法。常用的雙介質(zhì)淬火方法有水-油、水一空氣等,由水到油,所需要的時間不超過1-2s。這種淬火方法的優(yōu)點是既能保證獲得馬氏體,又降低了馬氏體轉(zhuǎn)變時的冷卻速度,減小了工件產(chǎn)生淬火內(nèi)應力、變形和裂紋的危險,但在實際操作中有一定的困難,主要是不容易控制從一種介質(zhì)轉(zhuǎn)入另一種介質(zhì)的時間或溫度,此方法主要適用于形狀復雜的碳鋼件及尺寸較大的合金鋼件,特別適用于高碳鋼工件
(3)分級淬火。它是將奧氏體狀態(tài)的工件首先淬入略高于鋼的M點的鹽浴或堿浴爐中保溫,當工件內(nèi)外溫度均勻后,再從浴爐中取出空冷至室溫,完成馬氏體轉(zhuǎn)變。這種淬火方法由于工件內(nèi)外溫度均勻并在緩慢冷卻條件下完成馬氏體轉(zhuǎn)變,不僅減小了淬火熱應力(比雙液淬火小),而且顯著降低組織應力,因而有效地減小或防止了工件淬火變形和開裂。克服了雙液淬火出水入油時間難以控制的缺點。但這種淬火方法由于冷卻介質(zhì)溫度較高,工件在浴爐冷卻速度較慢,而等溫時間又有限制,所以,大截面零件難以達到其臨界淬火速度。因此,分級淬火只適用于尺寸較小的工件,如刀具、量具和要求變形很小的精密工件“分級”溫度也可取略低于Ms點的溫度,此時由于溫度較低冷卻速度較快,等溫以后已有相當一部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,當工件取出空冷時,剩余奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。這種淬火方法適用于較大工件。
(4)貝氏體等溫淬火(等溫淬火)。將工件加熱到奧氏體化后,快速冷卻到貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間(260~400℃),保持一定時間,使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w組織的淬火工藝,稱為貝氏體等溫淬火。等溫淬火實際上是分級淬火的進一步發(fā)展。等溫淬火的加熱溫度通常比普通淬火高些,目的是提高奧氏體的穩(wěn)定性和增大其冷卻速度,防止等溫冷卻過程中發(fā)生珠光體型轉(zhuǎn)變。等溫溫度和時間應視工件組織和性能要求,由該鋼的C曲線確定。由于等溫溫度比分級淬火高,減小了工件與淬火介質(zhì)的溫差,從而減小了淬火熱應力,又因貝氏體比熱容比馬氏體小,而且工件內(nèi)外溫度一致,故淬火組織應力也較小。因此,等溫淬火可以顯著減小工件的變形和開裂傾向,適于處理形狀復雜、尺寸要求精確,強度、韌性要求都很高的小型工件和重要的機器零件,如模具齒輪、成形刃具和彈簧等。同分級淬火一樣,等溫淬火也只能適用于尺寸較小的工件。
(5)噴射淬火法。它是向工件噴射急速水流的淬火方法這種方法主要用于局部淬火的工件。由于這種淬火方法不會在工件表面形成蒸汽膜,故可保證比普通水淬得到更深的淬硬層。采用細密水流并使工件上下運動或旋轉(zhuǎn),可保證實現(xiàn)工件均勻冷卻淬火。
除了上述幾種典型的淬火方法外,近年來還發(fā)展了許多提高鋼的強韌性的新的淬火工藝,如高溫淬火,循環(huán)快速加熱淬火高碳鋼低溫、快速、短時加熱淬火和亞共析鋼的亞溫淬火等、
3.淬火介質(zhì)
淬火介質(zhì)是在淬火工藝中所采用的冷卻介質(zhì)。淬火介質(zhì)的冷卻能力必須保證工件以大于臨界冷卻速度的冷卻速度冷卻才能獲得馬氏體,但過高的冷卻速度又會增加工件的截面溫差使熱應力與組織應力增大,容易造成工件淬火冷卻變形和開裂。所以,淬火介質(zhì)的選擇是個重要的問題。鋼的理想淬火冷卻速度如圖3-6所示。
由圖可見,理想淬火冷卻速度是在過冷奧氏體分解最快的溫度范圍內(nèi)(等溫轉(zhuǎn)變曲線鼻尖處)具有較大的冷卻速度,以保證過冷奧氏體不分解為珠光體;而在進行馬氏體轉(zhuǎn)變時,即在M點以下溫度的冷卻速度應盡量小些,以減小組織轉(zhuǎn)變應力。由于各種鋼的過冷奧氏體的穩(wěn)定性不高,以及實際工件尺寸形狀的差異,同時能適合各種鋼材不同尺寸工件的淬火介質(zhì)是不現(xiàn)實的。
淬火介質(zhì)的種類很多,常用的淬火介質(zhì)有水、鹽水、油、熔鹽、空氣等。各種淬火介質(zhì)的冷卻能力用淬火冷卻烈度(H值)表示,其數(shù)字較大,表明該介質(zhì)的冷卻能力越強。表3-8為幾種淬火介質(zhì)的冷卻烈度值。從表中可見,水和鹽水的冷卻能力最強,油的冷卻能力較弱,空氣最弱。為了改善冷卻條件,提高冷卻速度,一般在淬火時工件或淬火介質(zhì)應進行運動。
生產(chǎn)中使用的淬火介質(zhì)可分為兩大類:一類是淬火過程中要發(fā)生物態(tài)變化的介質(zhì),如水溶液及油類等。此類介質(zhì)沸點較低,工件的冷卻主要依靠介質(zhì)的汽化來進行;另一類是淬火過程中不發(fā)生物態(tài)變化(或變化較少)的介質(zhì),如熔鹽、熔堿及氣體等。工件在此類介質(zhì)中的冷卻主要依靠輻射、對流和傳導來進行
4.鋼的淬透性及淬硬性
(1)鋼的淬透性。淬透性是指鋼在淬火時獲得馬氏體的能力,它是鋼材本身固有的一個屬性,是衡量不同鋼種接受淬火能力的重要指標,它是選材和制訂熱處理工藝的重要依據(jù)之一。淬透性是在規(guī)定條件下,鋼試樣淬硬深度和硬度分布表征的材料特性。鋼的淬透性與過冷奧氏體的穩(wěn)定性有關,主要決定于化學成分和奧氏體化條件。一般情況下,鋼中合金元素數(shù)量和種類越多,鋼中含碳量越接近于共析成分,則奧氏體越穩(wěn)定,鋼的淬透性越好。同時,熱處理加熱溫度越高,保溫時間越長,得到的奧氏體越穩(wěn)定,鋼的淬透性也越好。其大小用鋼在一定條件下淬火所獲得的淬透層深度來表示。不同鋼種在淬火時獲得馬氏體的能力不同,工件截面上由表面到內(nèi)部得到的馬氏體的深度也不同,得到馬氏體組織的深度越大,則該鋼種的淬透性越高。淬透性主要取決于鋼的臨界冷卻速度,與過冷奧氏體的穩(wěn)定性有密切的關系,過冷奧氏體越穩(wěn)定,則孕育期越長,鋼的臨界冷卻速度就越小,其淬透性越大。影響淬透性的主要因素有鋼的化學成分、奧氏體晶粒尺寸、奧氏體成分的均勻性及未溶第二相等。碳濃度越接近共析成分,奧氏體越穩(wěn)定,淬透性越好,溶于奧氏體的合金元素一般使C曲線右移,即淬透性增大;奧氏體晶粒越粗大,鋼的淬透性越好;奧氏體的成分越均勻,淬透性越大;奧氏體中未溶第二相越多,越易分解,淬透性越小。合金鋼的淬透性比碳鋼好,尺寸較大的工件亦可淬透,由表及里均可獲得較好的綜合力學性能,而且可以采用較為緩和的冷卻介質(zhì)(如油冷,甚至是空冷),以減少淬火應力,減少變形與開裂的危險。
淬透性測定的方法有多種,如斷口評級法、碳素工具鋼淬透性試驗法、計算法及結構鋼末端淬透性試驗法(簡稱端淬法)等。端淬法是測定結構鋼淬透性最常用的方法,也可用于測定彈簧鋼、軸承鋼、工具鋼的淬透性。GB225-1988規(guī)定了端淬法測定淬透性的試樣形狀、尺寸及實驗方法。淬透性用淬透性曲線(也稱為端淬曲線或H曲線)來表示,由于每一種鋼的成分均定的波動范圍,所以,端淬曲線也在一定范圍內(nèi)波動,形成個“淬透性帶“
淬透性可用規(guī)定條件測得的淬硬層深度及分布曲線來表示澤硬深度一般是指從溶硬的工件表面量至規(guī)定硬度(一般為550HV)處的垂直距離。測得的淬硬深度越大,表明材料的淬透性越好。淬透性的表示方法有:U曲線法、臨界淬透直徑法及淬透性曲線等。U曲線的數(shù)值隨試樣尺寸和冷卻介質(zhì)的不同而變化,因而很少采用。臨界直徑是指工件在某種介質(zhì)中淬火后,心部能淬透(心部獲全部或半馬氏體組織)的最大直徑,用D0來表示,D0越大,表示這種鋼的淬透性越高。常用鋼材的臨界直徑見表3-9。根據(jù)鋼的淬透性曲線,鋼的淬透性值通常用J=HrC/d表示。J表示末端淬透性,d表示至末端的距離,HRC表示40在該處測得的硬度值。例如淬透性值j=40/5,即表示在淬透性帶上距末端5mm處的硬度值為HRC40。
淬透性曲線可用來:估算鋼的臨界直徑;求出不同直徑棒材截面上的硬度分布;根據(jù)工件的工藝要求,選擇適當鋼種及其熱處理規(guī)范;確定工件的淬硬層深度。
鋼的淬透性對于合理選用鋼材,正確制訂熱處理工藝,都具有非常重要的意義。例如,對于大截面、形狀復雜和在動載荷下工作的工件,以及承受軸向拉壓的連桿、螺栓、拉桿、鍛模等要求表面和心部性能均勻一致的零件,應選用淬透性良好的鋼材以保證心部淬透;對于承受彎曲、扭轉(zhuǎn)應力(如軸類)以及表面要求耐磨并承受沖擊力的模具,因應力主要集中在表面,因此,可不要求全部淬透,而選擇淬透性較差的鋼材;焊接件一般不選用淬透性好的鋼,否則在焊接和熱影響區(qū)將出現(xiàn)淬火組織造成焊件變形、開裂。
(2)鋼的淬硬性。鋼的淬硬性也稱可硬性,是指鋼淬火后所能達到的最高硬度,它主要決定于鋼中的含碳量,而合金元素對淬硬性影響不大。這是因為合金元素在馬氏體的晶格中不是處于間隙位置,而是置換了某些鐵原子,對馬氏體晶格所造成的畸變遠不及碳的作用大。淬透性與淬硬性是兩個完全不同的概念。淬硬性主要取決于馬氏體的含碳量,淬火加熱時固溶于奧氏體中的碳越多,淬火后的硬度越高,淬硬性與合金元素基本無關。淬硬性高的鋼,不一定淬透性就好;而淬硬性低的鋼,也可能具有好的淬透性。
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