淬火工艺方法及其应用

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淬火工艺规范包括1)淬火加热方式、2)加热温度、3)保温时间、4)冷却介质及冷却方式等。确定工件淬火规范的依据是工件图纸及技术要求，所用材料牌 号，相变点及过冷奥氏体等温或连续冷却转变曲线，端淬曲线，加工工艺路线及淬火前的原始组织等。只有充分掌握这些原始材料，才能正确地确定淬火工艺规范。
一、淬火加热方式及加热温度的确定原则
    淬火一般是最终热处理工序。因此，应采用保护气氛加热或盐炉加热。只有一些毛坯或棒料的调质处理(淬火、高温回火)可以在普通空气介质中加热。因为调质处 理后尚须机械切削加工，可以除去表面氧化、脱碳等加热缺陷。但是随着少、无切削加工的发展、调质处理后仅是一些切削加工量很小的精加工，因而也要求无氧 化，脱碳加热。
    淬火加热一般是热炉装料。但对工件尺寸较大，几何形状复杂的高合金钢制工件，应该根据生产批量的大小，采用预热炉(周期作业)预热，或分区(连续炉)加热等方式进行加热。
1：淬火加热温度：
    淬火加热温度，主要根据钢的相变点来确定。对亚共析钢，一般选用淬火加热温度为Ac3+（30—50℃)，过共析钢则为Ac1+(30—50℃)。之所以 这样确定，因为对亚共析钢来说，若加热温度低于Ac3，则加热状态为奥氏体与铁素体二相组成，淬火冷却后铁素体保存下来，使得零件淬火后硬度不均匀，强度 和硬度降低。比Ac3点高30—50℃的目的是为了使工件心部在规定加热时间内保证达到Ac3点以上的温度，铁素体能完全溶解于奥氏体中，奥氏体成分比较 均匀，而奥氏体晶粒又不致于粗大。对过共析钢来说，淬火加热温度在Ac1～Ac3之间时，加热状态为细小奥氏体晶粒和未溶解碳化物，淬火后得到隐晶马氏体 和均匀分布的球状碳物。这种组织不仅有高的强度和硬度、高的耐磨性，而且也有较好的韧性。如果淬火加热温度过高，碳化物溶解，奥氏体晶粒长大，淬火后得到 片状马氏体(孪晶马氐体)，其显微裂纹增加，脆性增大，淬火开裂倾向也增大。由于碳化物的溶解，奥氏体中含碳量增加，淬火后残余奥氏体量增多，钢的硬度和 耐磨性降低。高于Ac1点30—50℃的目的和亚共析钢类似，是为了保证工件内各部分温度均高于Ac1。
2：注意：确定淬火加热温度时，尚应考虑工件的形状、尺寸、原始组织、加热速度、冷却介质和冷却方式等因素。
    在工件尺寸大、加热速度快的情况下，淬火温度可选得高一些。因为工件大，传热慢，容易加热不足，使淬火后得不到全部马氏体或淬硬层减薄。加热速度快，工件 温差大，也容易出现加热不足。另外，加热速度快，起始晶粒细，也允许采用较高加热温度。在这种情况下，淬火温度可取Ac3+(50—80℃)，对细晶粒钢 有时取Ac3+100℃。对于形状较复杂，容易变形开裂的工件，加热速度较慢，淬火温度取下限。
    考虑原始组织时，如先共析铁素体比较大，或珠光体片间距较大，为了加速奥氏体均匀化过程，淬火温度取得高一些。对过共析钢为了加速合金碳化物的溶解，以及 合金元素的均匀化，也应采取较高的淬火温度。例如高速钢的Ac1点为820—840℃，淬火加热温度高达1280℃。
    考虑选用淬火介质和冷却方式时，在选用冷却速度较低的淬火介质和淬火方法的情况下，为了增加过冷奥氏体的稳定性，防止由于冷却速度较低而使工件在淬火时发生珠光体型转变，常取稍高的淬火加热温度。
二、淬火加热时间的确定原则
    淬火加热时间应包括工件整个截面加热到预定淬火温度，并使之在该温度下完成组织转变、碳化物溶解和奥氏体成分均匀化所需的时间。因此，淬火加热时间包括升 温和保温两段时间。在实际生产中，只有大型工件或装炉量很多情况下，才把升温时间和保温时间分别进行考虑。一般情况下把升温和保温两段时间通称为淬火加热 时间。当把升温时间和保温时间分别考虑时，由于淬火温度高于相变温度，所以升温时间包括相变重结晶时间。保温时间实际上只要考虑碳化物溶解和奥氏体成分均 匀化所需时间即可。在具体生产条件下，淬火加热时间常用经验公式计算，通过试验最终确定。常用经验公式是  

                           

式中
   T ——加热时间，(min)；
    a——加热系数，(min／mm)；
    K——装炉修正系数；
    D——零件有效厚度(mm)。
    加热系数口表示工件单位厚度需要的加热时间，其大小与工件尺寸、加热介质和钢的化学成分有关。装炉量修正系数X是考虑装炉的多少而确定的。装炉量大时，K 值也应取得较大，一般由实验确定；工件有效厚度D的计算，可按下述原则确定：圆柱体取直径，正方形截面取边长，长方形截面取短边长，板件取板厚，套筒类工 件取壁厚，圆锥体取离小头2／3长度处直径，球体取球径的0．6倍作为有效厚度D。
三、淬火介质及冷却方式的选择与确定
    淬火介质的选择，首先应按工件所采用的材料及其淬透层深度的要求，根据该种材料的端淬曲线，通过一定的图表来进行选择。其选择方法已在本章淬透性一节讲 述。若仅从淬透层深度角度考虑，凡是淬火烈度大于按淬透层深度所要求的淬火烈度的淬火介质都可采用。但是从淬火应力变形开裂的角度考虑，淬火介质的淬火烈 度愈低愈好。综合这两方面的要求，选择淬火介质的第一个原则应是在满足工件淬透层深度要求的前提下，选择淬火烈度最低的淬火介质。
四：淬火方法及其应用：
目前常用主要有以下几种方法;
1)单液淬火法   
    它是最简单的淬火方法。把已加热到淬火温度的工件淬人一种淬火介质，使其完全冷却。这种方法常用于形状简单的碳钢和合金钢工件。对碳钢而言，直径大于3—5mm的工件应于水中淬火，更小的可在油中淬火。对各种牌号的合金钢，则以油为常用淬火介质。
     由过冷奥氏体转变(等温或连续冷却)动力学曲线看出，过冷奥氏体在且，点附近的温度区是比较稳定的。为了减少工件与淬火介质之间的温差，减小内应力，可以把欲淬火工件，在淬入淬火介质之前，先空冷一段时间。这种方法叫预冷淬火法 。
2 中断淬火法(双淬火介质淬火法)
    该种方法是把加热到淬火温度的工件，先在冷却能力强的淬火介质中冷却至接近Ms点，然后转入慢冷的淬火介质中冷却至室温，以达到不同淬火冷却温度区间，并 有比较理想的淬火冷却速度．这样既保证了获得较高的硬度层和淬硬层深度又可减少内应力及防止发生淬火开裂．一般用水作快冷淬火介质，用油或空气作慢冷淬火 介质，但较少采用空气．
    这种方法的缺点是：对于各种工件很难确定其应在快冷介质中停留的时间，而对于同种工件，这时间也难控制．在水中冷却时间过长，将使工件某些部分冷到马氏体 点以下，发生马氏体转变，结果可能导致变形和开裂。反之，如果在水中停留的时间不够，工件尚未冷却到低于奥氏体最不稳定的温度，发生珠光体型转变，导致淬 火硬度不足。此外，还应考虑：当工件自水中取出后，由于心部温度总是高于表面温度，若取出过早，心部储存的热量过多，将会阻止表面冷却，使表面温度回升， 致使已淬成的马氏体回火，未转变的奥氏体发生珠光体或贝氏体转变．由于迄今仍未找到兼有水、油优点的淬火介质，所以尽管这种方法在水中保持的时间较难确定 和控制，但对只能在水中淬硬的碳素工具钢仍多采用此法．当然，这就要求淬火操作者有足够熟炼的技术。在水中停留时间为每5～6mm有效厚度约1秒钟。
    中断淬火法也可以另种方式进行，即把工件从奥氏体化温度直接淬入水中，保持一定时间后，取出在空气中停留，由于心部热量的外传使表面又被加热回火，同时沿 工件截面温差减小，然后再将工件淬入水中保持很短时间，再取出在空气中停留，如此往复数次，最后在油中或空气中冷却。这种方法主要用于碳钢制的大型工件， 以减少在水中淬火时的内应力。显然这种方法不能得到很高的硬度。
3． 喷射淬火法
    这种方法就是向工件喷射水流的淬火方法．水流可大可小，枧所要求的淬火深度而定。用这种方法淬火，不会在工件表面形成蒸汽膜，这样就能够保证得到比昔通水 中淬火更深的淬硬层。为了消除因水流之间冷却能力不同所造成的冷却不均匀现象，水流应细密，最好同时工件上下运动或旋转．这种方法主要用于局部淬火。用于 局部淬火时，因未经水冷的部分冷却较慢，为了避免已淬火部分受未淬火部分残留热量的影响，工件一旦全黑，立即将整个工件淬入水中或油中．
4． 分级淬火法．
    把工件由奥氏体化温度淬人高于该种钢马氏体开始转变温度的淬火介质中，在其中冷却直至工件各部分温度达到淬火介质的温度，然后缓冷至室温，发生马氏体转 变．这种方法不仅减少丁热应力，而且由于马氏体转变前，工件各部分温度已趋于匀匀，因而马氏体转变的不同时现象也减少。分级淬火只适用于尺寸较小的工件． 对于较大的工件，由于冷却介质的温度较高，工件冷却较缓慢，因而很难达到其临界淬火速度。某些临界淬火速度铰小的合金钢没有必要采用此法，因为在油中淬火 也不致于造成很大内应力．反之，若采用分级淬火来代替油淬，其生产效串并不能显著提高．
    淬火介质的温度可高于或略低于马氏体点，当低于马氏体点时，由于温度比较低，冷却较剧烈，故可用于较大工件的淬火．各种碳索工具钢和合金工具钢 (Ms=200—250℃)淬火时，分级温度选择在250℃附近，但更经常选用120—150℃，甚至100℃。分级温度选在低于Ms点，是否还谓之分级 淬火，尚有待商榷．因为一般分级淬火的概念是在分级温度等温后，取出缓冷时才发生马氏体转变，但在低于Ms点以下的温度等温后已发生了大量马氏体转变．分 极保持时间应短于在该分级温度下臭氏体等温分解的孕育期，但应尽量使工件内外强度均匀。
    分级后处于奥氏体状态的工件，具有较大的塑性(相变超塑性)，因而创造了进行工件的矫直和矫正的条件．这对工具具有特别重要的意义．因而高于Ms点分级温度的分级淬火，广泛地应用于工具制造业．对碳钢来说，这种分级淬火适用于直径8一lOmm工具．
    若分级淬火温度低于Ms点，因工件自淬火剂中取出时，已有一部分奥氏体转变成马氏体，上述奥氏体状态下的矫直就不能利用。但这种方法用于尺寸较大的工件(碳钢工具可达10—15mm直径)时，不引起应力及淬火裂缝，故仍被广泛利用．
5． 等温淬火法
    工件淬火加热后，若长期保持在下贝氏体转变区的温度，使之完成奥氏体的等温转变，获得下贝氏体组织，这种淬火称为等温淬火。等温淬火与分级淬火的区别在于 前者获得下贝氏体组织．进行等温淬火的目的是为了获得变形少，硬度较高并兼有良好韧性的工件。因为下贝氏体的硬度较高而韧性又好，在等沮淬火时冷却又较 慢，贝氏体的比容也比较小，热应力，组织应力均很小，故形状变形和体积变形也较小。
    等温淬火用的淬火介质与分级淬火相同。等温温度主要由钢的C曲线及工件要求的组织性能而定。等温温度越低，硬度越高，比容增大，体积变形也相应增加。因 此，调整等温温度可以改变淬火钢的机械性能和变形规律，一般认为在Mc～Ms点+30℃沮度区间等温可获得良好的强度和韧性