热处理知识——淬火工艺

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钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3(亚共析钢)或Ac1(过共析钢)以上某一温度,保温一段时间,使之全部或部分奥氏体化,然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下(或Ms附近等温)进行马氏体(或贝氏体)转变的热处理工艺。通常也将铝合金、铜合金、钛合金、钢化玻璃等材料的固溶处理或带有快速冷却过程的热处理工艺称为淬火。

淬火的目的是淬火后配合不同温度的回火,大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等,从而满足各种机械零件和工具的不使用要求。也可以满足某些特种钢材的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。常用的淬冷介质有盐水、水、矿物油、空气和水剂聚合物等。淬火工艺过程包括加热、保温、冷却三个阶段。钢淬火的三个阶段的工艺参数选择的原则。

第一,加热阶段。加热温度以钢的相变临界点为依据,加热时要形成细小、均匀奥氏体晶粒,淬火后获得细小的马氏体组织。亚共析钢加热温度为Ac3温度以上30~50℃。高温下钢处于单相奥氏体(A)区内,故称为完全淬火。亚共析钢加热温度高于Ac1、低于Ac3温度,则高温下部分先共析铁素体未完全转变成奥氏体,为不完全(或亚临界)淬火。过共析钢淬火温度为Ac1温度以上30~50℃,这温度范围处于奥氏体与渗碳体(A+C)双相区。因而过共析钢的正常的淬火仍属不完全淬火,淬火后得到马氏体基体上分布渗碳体的组织,这种组织具有高硬度和高耐磨性。过共析钢,若加热温度过高,先共析渗碳体溶解过多,甚至完全溶解,则奥氏体晶粒将长大,奥氏体碳含量也增加。淬火后,粗大的马氏体使钢件淬火态微区内应力增加,微裂纹增多,零件的变形和开裂倾向增加;由于奥氏体碳浓度高,马氏体点下降,残留奥氏体量增加,使工件的硬度和耐磨性降低。实际生产中,加热温度的选择要根据具体情况加以调整。如亚共析钢中碳含量为下限,当装炉量较多,欲增加零件淬硬层深度等时可选用温度上限;若工件形状复杂,变形要求严格等要采用温度下限。

第二,保温阶段。淬火保温时间由设备加热方式、零件尺寸、钢的成分、装炉量和设备功率等多种因素确定。对整体淬火而言,保温的目的是使工件内部温度均匀趋于一致。对各类淬火,保温时间最终取决于要求淬火区域能获得良好的淬火加热组织。加热与保温是影响淬火质量的重要环节,奥氏体化获得的组织状态直接影响淬火后的性能。一般钢件奥氏体晶粒控制在5~8级。

第三,冷却阶段。要使钢中高温相(奥氏体)在冷却过程中转变成低温亚稳相(马氏体),冷却速度必须大于钢的临界冷却速度。工件在冷却过程中,表面与心部的冷却速度有一定差异,如果这种差异足够大,则可能造成大于临界冷却速度部分转变成马氏体,而小于临界冷却速度的心部不能转变成马氏体的情况。为保证整个截面上都转变为马氏体需要选用冷却能力足够强的淬火介质,以保证工件心部有足够高的冷却速度。但是冷却速度大,工件内部由于热胀冷缩不均匀造成内应力,可能使工件变形或开裂。因而要考虑上述两种矛盾因素,合理选择淬火介质和冷却方式。

冷却阶段不仅要使零件获得合理的组织,达到所需要的性能,而且要保持零件的尺寸和形状精度,是淬火工艺过程的关键。