熱處理工藝－淬火工藝、淬火介質及冷卻方法

wanglinyou

淬火工藝是將鋼加熱到AC3或AC1點以上某一溫度，保持一定時間，然后以適當速度冷卻獲得馬氏體和（或）貝氏體組織的熱處理工藝。

    淬火的目的是提高硬度、強度、耐磨性以滿足零件的使用性能。淬火工藝應用最為廣泛，如工具、量具、模具、軸承、彈簧和汽車、拖拉機、柴油機、切削加工機床、氣動工具、鉆探機械、農機具、石油機械、化工機械、紡織機械、飛機等零件都在使用淬火工藝。

               

                （1） 淬火加熱溫度

               
            淬火加熱溫度根據鋼的成分、組織和不同的性能要求來確定。亞共析鋼是AC3+（30～50℃）；共析鋼和過共析鋼是AC1+（30～50℃）。

               
            亞共析鋼淬火加熱溫度若選用低于AC3的溫度，則此時鋼尚未完全奧氏體化，存在有部分未轉變的鐵素體，淬火后鐵素體仍保留在淬火組織中。鐵素體的硬度較低，從而使淬火后的硬度達不到要求，同時也會影響其他力學性能。若將亞共析鋼加熱到遠高于AC3溫度淬火，則奧氏體晶粒回顯著粗大，而破壞淬火后的性能。所以亞共析鋼淬火加熱溫度選用AC3+（30～50℃），這樣既保證充分奧氏體化，又保持奧氏體晶粒的細小。

               
            過共析鋼的淬火加熱溫度一般推薦為AC1+（30～50℃）。在實際生產中還根據情況適當提高20℃左右。在此溫度范圍內加熱，其組織為細小晶粒的奧氏體和部分細小均勻分布的未溶碳化物。淬火后除極少數殘余奧氏體外，其組織為片狀馬氏體基體上均勻分布的細小的碳化物質點。這樣的組織硬度高、耐磨性號，并且脆性相對較少。

               
            過共析鋼的淬火加熱溫度不能低于AC1，因為此時鋼材尚未奧氏體化。若加熱到略高于AC1溫度時，珠光體完全轉變承奧氏體，并又少量的滲碳體溶入奧氏體。此時奧氏體晶粒細小，且其碳的質量分數已稍高與共析成分。如果繼續(xù)升高溫度，則二次滲碳體不斷溶入奧氏體，致使奧氏體晶粒不斷長大，其碳濃度不斷升高，會導致淬火變形傾向增大、淬火組織顯微裂紋增多及脆性增大。同時由于奧氏體含碳量過高，使淬火后殘余奧氏體數量增多，降低工件的硬度和耐磨性。因此過共析鋼的淬火加熱溫度高于AC1太多是不合適的，加熱到完全奧氏體化的ACm或以上溫度就更不合適。

               
            在生產實踐中選擇工件的淬火加熱溫度時，除了遵守上述一般原則外，還要考慮工件的化學成分、技術要求、尺寸形狀、原始組織以及加熱設備、冷卻介質等諸多因素的影響，對加熱溫度予以適當調整。如合金鋼零件，通常取上限，對于形狀復雜零件取下限。

               
            強韌化新工藝選用的淬火加熱溫度與常用淬火溫度有所區(qū)別。如亞溫淬火是亞共析鋼在略低于AC3的溫度奧氏體化后淬火，這樣可提高韌性，降低脆性轉折溫度，并可消除回火脆性。如45、40Cr、60Si2等材料制成的工件亞溫淬火加熱溫度為AC3－（5～10℃）。

               
            采用高溫淬火可獲得較多的板條狀馬氏體或使全部板條馬氏體提高強度和韌性。如16Mn鋼在940℃淬火，5CrMnMo鋼在890℃淬火，20CrMnMo鋼在920℃淬火，效果較好。

               
            高碳鋼低溫、快速、短時加熱淬火，適當降低高碳鋼的淬火加熱溫度，或采用快速加熱及縮短保溫時間的辦法，可減少奧氏體的碳含量，提高鋼的韌性。

               

                （2） 保溫時間

                為了使工件內外各部分均完成組織轉變、碳化物溶解及奧氏體的成分均勻化，就必須在淬火加熱溫度保溫一定時間，既保溫時間。

               

                （3） 淬火介質

               
            工件進行淬火冷卻所使用的介質稱為淬火冷卻介質（或淬火介質）。理想的淬火介質應具備的條件是使工件既能淬成馬氏體，又不致引起太大的淬火應力。這就要求在C曲線的“鼻子”以上溫度緩冷，以減小急冷所產生的熱應力；在“鼻子”處冷卻速度要大于臨界冷卻速度，以保證過冷奧氏體不發(fā)生非馬氏體轉變；在“鼻子”下方，特別使Ms點一下溫度時，冷卻速度應盡量小，以減小組織轉變的應力。

               

                常用的淬火介質有水、水溶液、礦物油、熔鹽、熔堿等。

                ● 水

               
            水是冷卻能力較強的淬火介質。來源廣、價格低、成分穩(wěn)定不易變質。缺點是在C曲線的“鼻子”區(qū)（500～600℃左右），水處于蒸汽膜階段，冷卻不夠快，會形成“軟點”；而在馬氏體轉變溫度區(qū)（300～100℃），水處于沸騰階段，冷卻太快，易使馬氏體轉變速度過快而產生很大的內應力，致使工件變形甚至開裂。當水溫升高，水中含有較多氣體或水中混入不溶雜質（如油、肥皂、泥漿等），均會顯著降低其冷卻能力。因此水適用于截面尺寸不大、形狀簡單的碳素鋼工件的淬火冷卻。

               

                ● 鹽水和堿水

               
            在水中加入適量的食鹽和堿，使高溫工件浸入該冷卻介質后，在蒸汽膜階段析出鹽和堿的晶體并立即爆裂，將蒸汽膜破壞，工件表面的氧化皮也被炸碎，這樣可以提高介質在高溫區(qū)的冷卻能力。其缺點是介質的腐蝕性大。一般情況下，鹽水的濃度為10％，苛性鈉水溶液的濃度為10％～15％�？捎米魈间摷暗秃辖鸾Y構鋼工件的淬火介質，使用溫度不應超過60℃，淬火后應及時清洗并進行防銹處理。

               

                ● 油

               
            冷卻介質一般采用礦物質油（礦物油）。如機油、變壓器油和柴油等。機油一般采用10號、20號、30號機油，油的號越大，黏度越大，閃點越高，冷卻能力越低，使用溫度相應提高。

                目前使用的新型淬火油主要有高速淬火油、光亮淬火油和真空淬火油三種。

               
            高速淬火油是在高溫區(qū)冷卻速度得到提高的淬火油。獲得高速淬火油的基本途徑有兩種，一種是選取不同類型和不同黏度的礦物油，以適當的配比相互混合，通過提高特性溫度來提高高溫區(qū)冷卻能力；另一種是在普通淬火油中加入添加劑，在油中形成粉灰狀浮游物。添加劑游磺酸的鋇鹽、鈉鹽、鈣鹽以及磷酸鹽、硬脂酸鹽等。生產實踐表明，高速淬火油在過冷奧氏體不穩(wěn)定區(qū)冷卻速度明顯高于普通淬火油，而在低溫馬氏體轉變區(qū)冷速與普通淬火油相接近。這樣既可得到較高的淬透性和淬硬性，又大大減少了變形，適用于形狀復雜的合金鋼工件的淬火。

               
            光亮淬火油能使工件在淬火后保持光亮表面。在礦物油中加入不同性質的高分子添加物，可獲得不同冷卻速度的光亮淬火油。這些添加物的主要成分是光亮劑，其作用是將不溶解于油的老化產物懸浮起來，防止在工件上積聚和沉淀。另外，光亮淬火油添加劑中還含有抗氧化劑、表面活性劑和催冷劑等。

               
            真空淬火油是用于真空熱處理淬火的冷卻介質。真空淬火油必須具備低的飽和蒸汽壓，較高而穩(wěn)定的冷卻能力以及良好的光亮性和熱穩(wěn)定性，否則會影響真空熱處理的效果。

                鹽浴和堿浴淬火介質一般用在分級淬火和等溫淬火中。

               

                ● 新型淬火劑

                有聚乙烯醇水溶液和三硝水溶液等。

               
            聚乙烯醇常用質量分數為0.1％～0.3％之間的水溶液，共冷卻能力介于水和油之間。當工件淬入該溶液時，工件表面形成一層蒸汽膜和一層凝膠薄膜，兩層膜使加熱工件冷卻。進入沸騰階段后，薄膜破裂，工件冷卻加快，當達到低溫時，聚乙烯醇凝膠膜復又形成，工件冷卻速度又下降，所以這種溶液在高、低溫區(qū)冷卻能力低，在中溫區(qū)冷卻能力高，有良好的冷卻特性。

               
            三硝水溶液由25％硝酸鈉+20％亞硝酸鈉+20％硝酸鉀+35％水組成。在高溫（650～500℃）時由于鹽晶體析出，破還蒸汽膜形成，冷卻能力接近于水。在低溫（300～200℃）時由于濃度極高，流動性差，冷卻能力接近于油，故其可代替水－油雙介質淬火。

               

                （4） 冷卻方法

                生產實踐中應用最廣泛的淬火分類是以冷卻方式的不同劃分的。主要有單液淬火、雙液淬火、分級淬火和等溫淬火等。

               

                ● 單液淬火

               
            是將奧氏體化工件浸入某一種淬火介質種，一直冷卻到室溫的淬火操作方法。單液淬火介質有水、鹽水、堿水、油及專門配制的淬火劑等。一般情況下碳素鋼淬火，合金鋼淬油。

               
            單液淬火操作簡單，有利于實現(xiàn)機械化和自動化。其缺點是冷速受介質冷卻特性的限制而影響淬火質量。單液淬火對碳素鋼而言只適用于形狀較簡單的工件。

               

                ● 雙液淬火

               
            是將奧氏體化工件先浸入一種冷卻能力強的介質，在鋼件還未達到該淬火介質溫度之間即取出，馬上浸入另一種冷卻能力弱的介質中冷卻，如先水后油、先水后空氣等。雙液淬火減少變形和開裂傾向，操作不好掌握，在應用方面有一定的局限性。

               

                ● 馬氏體分級淬火

               
            是將奧氏體化工件先浸入溫度稍高或稍低于鋼的馬氏體點的液態(tài)介質（鹽浴或堿�。┲校�保持適當的時間，待鋼件的內、外層都達到介質溫度后取出空冷，以獲得馬氏體組織的淬火工藝，也稱分級淬火。

               
            分級淬火由于在分級溫度停留到工件內外溫度一致后空冷，所以能有效地減少相變應力和熱應力，減少淬火變形和開裂傾向。分級淬火適用于對于變形要求高的合金鋼和高合金鋼工件，也可用于截面尺寸不大、形狀復雜地碳素鋼工件。

               

                ● 貝氏體等溫淬火

               
            是將鋼件奧氏體化，使之快冷到貝氏體轉變溫度區(qū)間（260～400℃）等溫保持，使奧氏體轉變?yōu)樨愂象w的淬火工藝，有時也叫等溫淬火。一般保溫時間為30～60min。

               

                ● 復合淬火

               
            將工件急冷至Ms以下獲得10％～20％馬氏體，然后在下貝氏體溫度區(qū)等溫。這種冷卻方法可使較大截面地工件獲得組織M+B組織。預淬時形成的馬氏體可促進貝氏體轉變，在等溫時又使馬氏體回火。復合淬火用于合金工具鋼工件，可避免第一類回火脆性，減少殘余奧氏體量即變形開裂傾向。

                特殊工件也采用壓縮空氣淬火、噴霧淬火、噴流淬火。