【2017年整理】淬火新工艺的发展与应用3-7

3.7 淬火新工艺的发展与应用在 长 期 的 生 产 实 践 和 科 学 实 验 中 ， 人 们 对 金 属 内 部 组 织 状 态 变 化 规 律 的认 识 不 断 深 入 特 别 是 从 60年 代 以 来 ， 透 射 电 镜 和 电 子 衍 射 技 术 的 应 用 ， 各种 测 试 技 术 的 不 断 完 善 ， 在 研 究 马 氏 体 形 态 、 亚 结 构 及 其 与 力 学 性 能 的 关 系 ，获 得 不 同 形 态 及 亚 结 构 的 马 氏 体 的 条 件 ， 第 二 相 的 形 态 、 大 小 、 数 量 及 分 布对 力 学 性 能 影 响 等 方 面 ， 都 取 得 了 很 大 的 进 展 。 建 立 在 这 些 基 础 上 的 淬 火 新工 艺 也 层 出 不 穷 ， 择 要 筒 述 如 下 。一 、 循 环 快 速 加 热 淬 火淬 火 、 回 火 钢 的 强 度 与 奥 氏 体 晶 粒 大 小 有 关 ， 晶 粒 愈 细 ， 强 度 愈 高 ， 因而 如 何 获 得 高 于 10级 晶 粒 度 的 超 细 晶 粒 是 提 高 钢 的 强 度 的 重 要 途 径 之 一 。 钢经 过 多 次 相 变 重 结 晶 可 使 晶 粒 不 断 细 化 ； 提 高 加 热 速 度 ， 增 多结 晶 中 心 也 可 使 晶 粒 细 化 。 循 环 快 速 加 热 淬 火 即 为 根 据 这 个 原 理 获 得 超 细 晶粒 从 而 达 到 强 化 的 新 工 艺 。 例 如 45钢 ， 在 815 的 铅 浴 中 反 复 加 热 淬 火 45次 ， 可 使 奥 氏 体 晶 粒 由 6级 细 化 到 12 15级 ； 又 如 20CrNi9Mo 钢 ， 用 3000赫芝 200千 瓦 中 频 感 应 加 热 装 置 以 11 s 的 速 度 加 热 到 760 ， 然 后 水 淬 ，使 s 由 960MN m2增 加 到 1215MN m2， 气 由 1107MN m2， 增 加 到1274MN m： ， 而 延 伸 率 保 持 不 变 ， 均 为 18%。二 、 高 温 淬 火这 里 高 温 系 相 对 正 常 淬 火 加 热 温 度 而 言 .低 碳 钢 和 中 碳 钢 若 用 较 高 的 淬火 温 度 ， 则 可 得 到 板 条 状 马 氏 体 ， 或 增 加 板 条 马 氏 体 的 数 量 ， 从 而 获 得 良 好的 综 合 性 能 。从 奥 氏 体 的 含 碳 量 与 马 氏 体 形 态 关 系 的 实 验 证 明 ， 含 碳 量 小 于 o.3的 钢 淬 火 所 得 的 全 为 板 条 状 马 氏 体 。 但 是 ， 普 通 低 碳 钢 淬 透 性 极 差 ， 若 要 获得 马 氏 体 ， 除 了 合 金 化 提 高 过 冷 奥 氏 体 的 稳 定 性 外 ， 只 有 提 高 奥 氏 体 化 温 度和 加 强 淬 火 冷 却 方 可 。 例 如 用 16Mn 钢 制 造 五 铧 犁 犁 臂 ， 采 用 940 在10 NaOH 水 溶 液 中 淬 火 并 低 沮 回 火 ， 可 获 得 良 好 效 果 。中 碳 钢 经 高 温 淬 火 可 使 奥 氏 体 成 分 均 匀 ： 得 到 较 多 的 析 条 状 马 氏 体 ， 以提 高 其 综 合 性 能 。 例 如 AISl4340钢 ， 870 淬 油 后 ， 200 回 火 ， 其 s为 1621MN m2， 断 裂 韧 性 Kc 为 67.6MN m， 而 在 1200 加 热 ， 预 冷 至870 淬 油 后 200 回 火 ， s 为 1586MN m2， 断 裂 韧 性 Kc 为 81.8MN m。 若 在 淬 火 状 态 进 行 比 较 ， 高 温 淬 火 的 断 裂 韧 性 比 普 通 淬 火 的 几 乎 提 高 一 倍 。金 相 分 析 表 明 ， 高 温 淬 火 避 免 了 片 状 马 氏 体 (孪 晶 马 氏 体 )的 出 现 ， 全 部 获得 了 板 条 状 马 氏 体 。 此 外 ， 在 马 氏 体 板 条 外 面 包 着 一 层 厚 100200朋 残 余奥 氏 体 ， 能 对 裂 纹 尖 端 应 力 集 中 起 到 缓 冲 作 用 ， 因 而 提 高 了 断 裂 韧 性 三 、 高 碳 钢 低 温 、 快 速 、 短 时 加 热 淬 火高 碳 钢 件 一 般 在 低 温 回 火 条 件 下 ， 虽 然 具 有 很 高 的 强 度 ， 但 韧 性 和 塑 性很 低 。 为 了 改 善 这 些 性 能 ， 目 前 采 用 了 一 些 特 殊 的 新 工 艺 。高 碳 、 低 合 金 钢 ， 采 用 快 速 、 短 时 加 热 。 因 为 高 碳 低 合 金 钢 的 淬 火 加 热温 度 一 般 仅 稍 高 于 Ac1点 ， 碳 化 物 的 溶 解 、 奥 氏 体 的 均 匀 化 ， 靠 延 长 时 间 来达 到 。 如 果 采 用 快 速 ， 短 时 加 热 ， 奥 氏 体 中 含 碳 量 低 ， 因 而 可 以 提 高 韧 性 。例 如 T10V 钢 制 凿 岩 机 活 塞 ， 采 用 720 预 热 16分 钟 ， 850 盐 浴 短 时 加 热 8分 钟 淬 火 ， 220 回 火 72分 钟 、 使 用 寿 命 由 原 来 平 均 进 尺 500m 提 高 至4000m。 如 前 所 述 ， 高 合 金 工 具 钢 一 般 采 用 比 Ac,点 高 得 多 的 淬 火 温 度 ， 如果 降 低 淬 火 温 度 ， 使 奥 氏 体 中 含 碳 量 及 合 金 元 素 含 量 降 低 ， 则 可 提 高 韧 性 。例 如 用 W18Cr4V 高 速 钢 制 冷 作 棋 具 ， 采 用 1190 低 温 淬 火 ， 其 强 度 和 耐 磨性 比 其 它 冷 作 模 具 钢 高 ， 并 且 韧 性 也 较 好 。四 、 亚 共 析 钢 的 亚 温 淬 火亚 共 析 钢 在 Acl Ac3之 间 的 温 度 加 热 淬 火 称 为 亚 温 淬 火 意 即 比 正 常淬 火 温 度 低 的 温 度 下 淬 火 其 目 的 是 提 高 冲 击 韧 性 值 ， 降 低 冷 脆 转 变 温 度 及回 火 脆 倾 向 性 ， 经 930 淬 火 +650 回 火 +800 亚 温 淬 火 的 韧 性 ， 随 着 回 火温 度 的 升 高 而 单 调 提 高 ， 没 有 回 火 脆 性 亚 温 淬 火 之 所 以 能 提 高 韧 性 及 消 除回 火 脆 性 的 原 因 尚 不 清 楚 。 有 人 认 为 主 要 是 由 于 残 存 着 铁 素 体 ， 使 脆 化 杂 质原 子 P、 Sb 等 在 铁 索 体 富 集 之 故 。 有 人 研 究 了 直 接 应 用 亚 温 淬 火 (不 是 作 为中 间 处 理 的 再 加 热 淬 火 )时 淬 火 温 度 对 45、 40Cr 及 60Si2钢 力 学 性 能 的 影 响 ，发 现 在 Ac1到 Ac3之 间 的 淬 火 温 度 对 力 学 性 能 的 影 响 有 一 极 大 值 。 在 Ac3以下 5 10 处 淬 火 时 ， 硬 度 、 强 度 及 冲 击 值 都 达 到 最 大 值 ， 且 略 高 于 普 通 正常 淬 火 。 而 在 稍 高 于 Ac1的 某 个 温 度 淬 火 时 冲 击 值 最 低 。 认 为 这 可 能 是 由 于淬 火 组 织 为 大 量 铁 素 体 及 高 碳 马 氏 体 之 故 。显 然 ， 亚 温 淬 火 对 提 高 韧 性 ， 消 除 回 火 脆 性 有 特 殊 重 要 的 意 义 。 它 既 可在 预 淬 火 后 进 行 、 也 可 直 接 进 行 。 淬 火 温 度 究 竟 应 选 择 多 高 ， 实 验 数 据 尚 不充 分 ， 看 法 不 完 全 一 致 。 但 是 为 了 保 证 足 够 的 强 度 ， 并 使 残 余 铁 索 体 均 匀 细小 ， 亚 温 淬 火 温 度 以 选 在 稍 低 于 Ac， 的 温 度 为 宜 五 、 等 温 淬 火 的 发 展近 年 来 的 大 量 实 践 证 明 ， 在 同 等 硬 度 或 强 度 条 件 下 ， 等 温 淬 火 的 韧 性 和断 裂 韧 性 比 淬 火 低 温 回 火 的 高 。 因 此 ， 人 们 在 工 艺 上 如 何 设 法 获 得 下 贝 氏 体组 织 作 丁 很 多 努 力 ， 发 展 了 不 少 等 温 淬 火 的 方 法 ， 现 简 单 介 绍 如 下 ：1 预 冷 等 温 淬 火该 法 采 用 两 个 温 度 不 等 的 盐 浴 ， 工 件 加 热 后 ， 先 在 温 度 较 低 的 盐 浴 中 进行 冷 却 ， 然 后 转 入 等 温 淬 火 浴 槽 中 进 行 下 贝 氏 体 转 变 ； 再 取 出 后 空 冷 。 该 法适 用 于 淬 透 性 较 差 或 尺 寸 较 大 的 工 件 用 低 温 盐 浴 预 冷 以 增 加 冷 却 速 度 ， 避免 自 高 温 冷 却 时 发 生 部 分 珠 光 体 或 上 贝 氏 体 转 变 。 例 如 (o.5 0 5) C 十0 5 Mn 钢 制 3mm 厚 的 收 割 机 刀 片 ， 用 普 通 等 温 淬 火 硬 度 达 不 到 要 求 ， 而 改用 先 在 250 盐 浴 中 冷 却 30秒 种 ， 然 后 移 人 320 盐 浴 中 保 持 30分 钟 ， 则 达到 要 求 。2 预 淬 等 温 淬 火将 加 热 好 的 工 件 先 淬 人 温 度 低 于 Ms 点 的 热 浴 以 获 得 ， 10 的 马 氏 体 ，然 后 移 入 等 温 淬 火 槽 中 等 温 进 行 下 贝 氏 体 转 变 ， 取 出 空 冷 ， 再 根 据 性 能 要 求进 行 适 当 的 低 温 回 火 当 预 淬 中 获 得 的 马 氏 体 量 不 多 时 ， 也 可 以 不 进 行 回 火 。该 法 是 利 用 预 淬 所 得 的 马 氏 体 对 贝 氏 体 的 催 化 作 用 ， 来 缩 短 贝 氏 体 等 温转 变 所 需 时 间。因而该法适用于某些合金工具钢下贝氏体等温转变需要较长时间的场合。在等温转变过程中，预淬得到的马氏体进行了回火。3 分级等温淬火在进行下贝氏体等温转变之前，先在中温区进行一次(或二次) 分级冷却的工艺。该种工艺可减少热应力及组织应力，工件变形开裂倾向性小，同时还能保持强度、塑性的良好配合，适合于高合金钢(如高速钢等 )复杂形状工具的热处理。六、其它淬火方法此外，尚有液氮淬火法，即将工件直接淬入196的液态氮中。因为液氮的汽化潜热较小，仅为水的十一分之一，工件淬入液氮后立即被气体包围，没有普通淬火介质冷却的三个阶段，因而变形、开裂较少，冷速比水大五倍。液氮淬火可使马氏体转变相当完全，残余奥氏体量极少，可以同时获得较高的硬度、耐磨性及尺寸稳定性。但成本较高，只适用于形状复杂的零件。流态化床淬火的应用也日益广泛因其冷却速度可调(相当于空气到油的冷却能力) ，且在表面不形成蒸汽膜故工件冷却均匀，挠曲变形小。由于冷却速度可在相当于空冷至油冷的范围内调节，因而可实现程序控制冷却过程。它可以代替中断淬火、分级淬火等规程来处理形状复杂、变形要求严格的重要零件及工，模具。