钢的感应淬火的硬度及“超硬”问题

恒精刘又红

钢淬火硬度决定于钢的含碳量。正如苏联著名感应热处理学者高洛文（Г.Ф.Головин）指出表面淬火层的硬度“首先取决于钢中的含碳量”。高洛文同时指出高频淬火存在“超硬”的现象，即高频淬火零件的表面硬度比该种零件炉中加热淬火的最高硬度还要高出3~5HRC
关于“超硬”的现象作者是有所体会的，也可以证明“超硬”现象确实存在。作者亲自对马氏体不锈钢螺栓进行感应淬火，螺栓材料：1Cr17Ni2（含C 0.11~0.17%、 Cr 16~18%、Ni 1.5~2.5%），规定淬火硬度＞45HRC。利用式〔2〕及式〔３〕计算其最大淬火硬度分别为34~40HRC和40~45HRC，两个结果说明该种材料用炉中加热淬火，要将其淬火硬度达到＞45HRC是很困难的，也许只有材料的含碳量为上限时才能勉强达到。然而感应加热淬火利用其“超硬”现象，达到了该螺栓的淬火硬度要求。
感应淬火为什么能获得“超硬”呢？感应加热时要使用大比功率，使加热速度很快，由于奥氏体晶粒来不及长大，故可以达到更高的淬火温度，然后再迅速而激烈低冷却，获得细小而大量存在“位错”的马氏体，这种马氏体将常规最高淬火硬度提高了2~3HRC。同样由于这种马氏体的存在，使淬火层产生巨大的压应力。低碳钢零件利用感应淬火的“超硬”现象，获得超乎寻常的淬火硬度，并能其用于生产，因为淬火硬度45HRC左右的“低碳马氏体”脆性较小，冲击韧性尚好，再加上低碳钢本身有良好地韧性，淬火开裂的倾向很小，因此低碳钢将感应淬火的“超硬”现象用于实际生产是没有后顾之忧的。
中碳钢则不然。中碳钢要利用感应淬火的“超硬”现象是令人忧虑的，如前所述，获得”超硬”的工艺条件，都是加大淬火裂纹倾向的条件，中碳钢“超硬”，意味着淬火硬度要达到63~65HRC，这样做会极大地增加了淬火裂纹的危险性。
刘宗昌教授对这一情况有明确论述：低碳钢淬火得到位错型的马氏体，由于位错是可动的，使该类马氏体具有一定的塑性，因而断裂韧性较高。……当含碳量大于0.4%时，马氏体的韧性降低了，变得硬而脆，即使经过低温回火，韧性亦较差。关于淬火裂纹与含碳量的关系可用图1说明之。
图1表示了水中淬火的钢随着含碳量地增加，其Ms点逐渐降低，而在含碳量为0.4%时，显现一个有趣的现象，即含碳量小于0.4%时不淬裂，大于0.4%时淬裂。为此中碳钢感应淬火即使有“超硬”现象，这一现象也是不好利用的。
感应淬火的“超硬”现象，在大型零件感应淬火时是不存在的，因为大型零件感应加热时比功率不会很大，很难做到透入式加热，不能造成很大的过热度，上零件的加热层比较深，内部含热量大，冷却时热量外传，至使零件的表面冷却速度降低，因而不能造就“超硬”现象。
欧美日等国的汽车零部件及工程机械零部件感应淬火硬度的设计，不追求很高的硬度值，例如纯承受磨损的变速叉、变速导块、变速叉轴及输出凸缘等多规定硬度为55~62HRC。支重轮、引导轮规定硬度为50~58HRC或者＞50HRC、承受扭矩及磨损的轿车半轴及车轮支架规定硬度为52~58HRC。欧美日厂家所以不追求很高的硬度值，就是担心太高的硬度会有淬火裂纹的风险。它们的硬度范围的下限分别定为HRC 50、52、55, 也是十分可贵的，它为感应热处理厂家提供了规避淬火裂纹的余地。
合金元素加入对提高钢的淬火硬度，不起作用。但合金元素的加入降低了淬火的临界冷却速度，增加了“淬透性”，即增加了淬火层的深度，进而提高了零件的强度。为此重型汽车半轴淬火层要求7~11mm或者8~12mm，只能使用42CrMo钢。