鋼的熱處理4-淬火

　　鋼件加熱到Ac_?或Ac_?+（30~50℃）以上，保持一定時間，然后以適當速度冷卻獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。淬火是在生產中廣泛應用的熱處理工藝，它是強化鋼材、提高機械零件使用壽命的重要手段，透過淬火和適當溫度的回火相配合，可以獲得不同的組織和性能，滿足各類零件或工具對于使用性能的不同要求。

       （1）鋼的淬火工藝

        ①淬火加熱溫度的選擇       碳鋼的淬火加熱溫度可根據Fe-Fe_?C相圖來確定。適宜的淬火溫度是：亞共析鋼為Ac_?+（30~50）℃，共析鋼、過共析鋼為Ac_?+（30~50）℃。                     

　　合金鋼的淬火加熱溫度可根據其相變點來選擇，但由于大多數合金元素在鋼中都具有細化晶粒的作用，因此合金鋼的淬火加熱溫度可以適當提高。其目的是既要使奧氏體中固溶一定的碳和合金元素，以保證淬透性、淬硬性、強度和熱硬性，又要有適當的過剩碳化物，以細化晶粒，提高工件的耐磨性、保證工件一定的韌性。

       ②加熱保溫時間的選擇       淬火加熱的保溫時間一般根據工件的材料、有效厚度、加熱介質、裝爐方式、裝爐量等具體情況而定，一般按下列公式計算

                                                              τ=KαD

式中          τ----保溫時間，min；

                 K----裝爐系數；

                 α----加熱系數，min/mm；

                 D----鋼件的有效厚度，mm。

　　裝爐系數反映爐中同時裝入的工件數量及擺放情況，通常取1~1.5；加熱系數α 表示工件單位有效厚度所需的加熱間，其值大小主要與鋼的化學成分、鋼件尺寸和加熱介質有關，如下圖表。工作有效厚度D 是指加熱時在工件最快傳熱方向上的截面厚度。

                                                鋼在不同介質中的加熱系數

        ③淬火介質      鋼件進行淬火冷卻所使用的介質稱為淬火介質，淬火介質應其有足夠的冷卻能力、良好的冷卻性能和較寬的使用范圍，同時還應具有不易老化、不腐蝕零件、不易燃、易清洗、無公害、價廉等特點。

　　由碳鋼的等溫轉變圖可知，為避免珠光體型轉變，過冷奧氏體在C曲線的鼻尖處（550℃左右）需要快冷，而在650℃以上或400℃以下（特別是在M_s 點附近發生馬氏體轉變時）并不需要快冷。鋼在淬火時理想的冷卻曲線，能使工件達到這種理想冷卻曲線的淬火介質稱為理想淬火介質。目前常用的淬火介質有水、水溶性的鹽類和堿類、礦物油、空氣等。淬火介質冷卻能力由強到弱的順序為：（NaOH）水溶液→水→機油(熔融)→硝鹽或堿→空氣。

　　為保證鋼件淬火后得到馬氏體組織，淬火介質必須使鋼件淬火冷卻速度大于馬氏體臨界冷卻速度。但過快的冷卻速度會產生很大的淬火應力，引起鋼件變形和開裂。因此，在選擇冷卻介質時，既要保證使鋼件淬火后得到馬氏體組織，又要盡量減小淬火應力，如5CrNiMo的淬火工藝為：加熱到830~860℃，經保溫后先預冷（空氣中冷卻）至750~780℃（減少淬火的溫差應力）再入40~70℃的機油中冷卻至150~200℃出油，并立即回火處理。

       （2）淬火方法                                   

　　為保證工件淬火后得到馬氏體，同時又防止產生變形和開裂，生產中應根據工件的化學成分、形狀、尺寸、技術要求以及選用的淬火介質的特性等，選擇合適的淬火方法。

        ①單介質淬火       單介質淬火是將工件奧氏體化后，浸人某一種淬火介質中連續冷卻到室溫的淬火，如碳鋼件水冷、合金鋼件油冷等。此法操作簡單，容易實現機械化和自動化生產，但水冷容易產生淬火變形與裂紋，油冷則容易產生淬火后硬度不足等淬火缺陷，主要適用于形狀較簡單的工件。

        ②雙介質淬火     雙介質淬火是將工件奧氏體化后，先浸入一種冷卻能力強的介質，在工件還未到達該淬火介質溫度之前即取出，馬上浸入另一種冷卻能力弱的介質中冷卻，如碳鋼件先水后油、合金綱件先水后空氣等。此法既能保證淬硬，又能減少產生變形和裂紋的傾向。但操作較難掌握，主要用于形狀較復雜的碳鋼件和形狀簡單、截面較大的合金件。                                 

        ③馬氏體分級淬火    　馬氏體分級淬火是將工件加熱奧氏體化后，先放入溫度為M_s 點（150~260℃）附近的鹽浴或堿浴中短暫停留（約2~5min），待工件整體溫度趨于均勻時，再取出空冷以獲得馬氏體的淬火工藝。此法可更有效地避免工件產生淬火變形或開裂，并且比雙介質淬火易于操作控制，主要用于形狀復雜、尺寸較小的工件。

        ④貝氏體等溫淬火       貝氏體等溫淬火是將工件加熱奧氏體化后，隨即快冷到貝氏體轉變溫度區間（260~400℃）等溫，使奧氏體轉變為貝氏體的淬火工藝。此法產生的內應力很小，不易產生變形與開裂，所得到的下貝氏體組織具有較高的硬度和韌性，但生產周期較長，常用于形狀復雜，尺寸要求精確，強度、韌性要求較高的小型工件，如各種模具、成形刃具和彈簧等。               

       （3）鋼的淬透性                                                                   

        ①淬透性的概念      工件在淬火時，截面上各處的冷卻速度是不同的。表面的冷卻速度**，越到中心冷卻速度越小。如果工件中心部分低于臨界冷卻速度，則心部將獲得非馬氏體組織，即工件沒有被淬透。

　　在規定條件下，決定鋼材淬硬深度和硬度分布的特性稱為鋼的淬透性，通常以鋼在規定條件下淬火時獲得淬硬深度的能力來衡量。所謂淬硬深度，就是從淬硬的工件表面量至規定硬度處的垂直距離。                                                           

　　鋼的淬透性大小常用臨界直徑表示。臨界直徑是指鋼材在某種介質中淬火后，心部得到全部馬氏體或50%馬氏體的**直徑，以Dc 表示。鋼的臨界直徑愈大，表示鋼的淬透性愈高。但淬火介質不同，鋼的臨界直徑也不同，同一成分的鋼在水中淬火時的臨界直徑大于在油中的臨界直徑。

        ②影響淬透性的因素        鋼的淬透性主要取決于過冷奧氏體的穩定性。因此，凡影響過冷奧氏體穩定性的諸因素，都會影響鋼的淬透性。主要有以下幾個方面：

        a.鋼的化學成分：碳鋼中含碳量越接近于共析成分，鋼的淬透性越好。合金鋼中絕大多數合金元素溶于奧氏體后，都能提高鋼的淬透性。

        b.奧氏體化溫度及保溫時間：適當提高鋼的奧氏體化溫度或延長保溫時間，可使奧氏體晶粒更粗大，成分更均勻，增加過冷奧氏體的穩定性，提高鋼的淬透性。

        ③淬透性的實用意義      淬透性對鋼熱處理后的力學性能有很大影響，若工件被淬透，經回火后整個截面上的性能均勻一致；若淬透性差，鋼件未被淬透，經淬火+回火后鋼件表里性能不一，心部強度和韌性均較低。因此，鋼的淬透性是一項重要的熱處理工藝性能，對于合理選用鋼材和正確制定熱處理工藝均具有重要意義。

　　對于多數的重要結構件，如發動機的連桿和連桿螺栓等，為獲得良好的使用性能和最輕的結構重量，調質處理時都希望能淬透，需要選用淬透性足夠的鋼材；對于形狀復雜、截面變化較大的零件，為減少淬火應力和變形與裂紋，淬火時宜采用冷卻較緩和的淬火介質，也需要選用淬透性較好的鋼材；而對于焊接結構件，為避免在焊縫熱影響區形成淬火組織，使焊接件產生變形和裂紋，增加焊接工藝的復雜性，則不應選用淬透性較好的鋼材。

        ④淬硬性的概念     淬硬性是鋼在理想條件下進行淬火硬化所能達到的最高硬度的能力，鋼的淬硬性主要取決于鋼在淬火加熱時固溶于奧氏體中的含碳量，奧氏體中含碳量愈高,則其淬硬性越好。淬硬性與淬透性是兩個意義不同的概念，淬硬性好的鋼，其淬透性并不一定好。

        (4)常見淬火缺陷                                         

        ①淬火工件的過熱與過燒     淬火加熱溫度過高或保溫時間過長，晶粒過分粗大，以致鋼的性能顯著降低的現象稱為過熱。工件過熱后可通過正火細化晶粒予以補救。

　　若加熱溫度達到鋼的固相線附近時，晶界氧化和開始部分熔化的現象稱為過燒。工件過燒后無法補教，只報耐廢。

　　防止過熱和過燒的主要措施是正確選擇和控制淬火加熱溫度和保溫時間。

        ②變形與開裂      工件淬火冷卻時，由于不同部位存在著溫度差異及組織轉變的不同時所引起的應力稱為淬火冷卻應力。當淬火應力超過鋼的屈服點時，工件將產生變形；當淬火應力超過鋼的抗拉強度時，工件將產生裂紋，從而造成廢品。

　　為防止淬火變形和裂紋，需從零件結構設計、材料選擇、加工工藝流程、熱處理工藝等各方面全面考慮，盡量減少淬火應力，并在淬火后及時進行回火處理。

　　如在進行熱處理零件的結構設計時，一般應注意以下幾點：

　　避免截面厚薄相差懸殊，合理安排孔洞和鍵槽；避免尖角和棱角；盡量采用封閉、對稱結構；采用組合結構等。

        ③氧化與脫碳    　工件加熱時，介質中的氧、二氧化碳和水等與金屬反應生成氧化物的過程稱為氧化。加熱時由于氣體介質和鋼鐵表層碳的作用，使表層含碳量降低的現象稱為脫碳，氧化脫碳使工件表面質量降低，淬火后硬度不均勻或偏低，防止氧化脫碳的主要措施是采用保護氣氛或可控氣氛加熱（如真空爐、裝箱法等），也可在工作表面涂上一層防氧化劑。

        ④硬度不足與軟點      工件淬火硬化后，表面硬度低于應有的硬度，稱為硬度不足；表面硬度偏低的局部小區域稱為軟點。引起硬度不足和軟點的主要原因有淬火加熱溫度偏低、保溫時間不足、淬火冷卻速度不夠、表面氧化脫碳以及工件加熱后表面清洗不完全等。