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钢的淬火

 将钢加热到Ac3(亚共析钢)或Ac1(过共析钢)以上(30~50)℃某一温度,保持一定时间,然后在水或油中快速冷却的操作工艺称为淬火 
  淬火的目的是提高硬度、强度、耐磨性以满足零件的使用性能。钢的淬火是热处理工艺中最重要、也是用途最广泛的工序,如工具、量具、模具、轴承、弹簧和汽车、拖拉机、柴油机、切削加工机床、气动工具、钻探机械、农机具、石油机械、化工机械、纺织机械、飞机等零件都在使用淬火工艺。 
  1. 淬火加热温度 
  淬火加热温度根据钢的成分、组织和不同的性能要求来确定。亚共析钢是AC3+(30~50℃);共析钢和过共析钢是AC1+(30~50℃)。 
  亚共析钢淬火加热温度若选用低于AC3的温度,则此时钢尚未完全奥氏体化,存在有部分未转变的铁素体,淬火后铁素体仍保留在淬火组织中。铁素体的硬度较低,从而使淬火后的硬度达不到要求,同时也会影响其他力学性能。若将亚共析钢加热到远高于AC3温度淬火,则奥氏体晶粒会显著粗大,从而破坏淬火后的材料性能。所以亚共析钢淬火加热温度选用AC3+(30~50℃),这样既保证充分奥氏体化,又保持奥氏体晶粒的细小。 
  过共析钢的淬火加热温度一般推荐为AC1+(30~50℃)。在实际生产中还根据情况适当提高20℃左右。在此温度范围内加热,其组织为细小晶粒的奥氏体和部分细小均匀分布的未溶碳化物。淬火后除极少数残余奥氏体外,其组织为片状马氏体基体上均匀分布的细小的碳化物质点。这样的组织硬度高、耐磨性好,并且脆性相对较少。 
  过共析钢的淬火加热温度不能低于AC1,因为此时钢材尚未奥氏体化。若加热到略高于AC1温度时,珠光体完全转变成奥氏体,并有少量的渗碳体溶入奥氏体。此时奥氏体晶粒细小,且其碳的质量分数已稍高于共析成分。如果继续升高温度,则二次渗碳体不断溶入奥氏体,致使奥氏体晶粒不断长大,其碳浓度不断升高,会导致淬火变形倾向增大、淬火组织显微裂纹增多及脆性增大。同时由于奥氏体含碳量过高,使淬火后残余奥氏体数量增多,降低工件的硬度和耐磨性。因此过共析钢的淬火加热温度高于AC1过多是不合适的。
  在生产实践中选择工件的淬火加热温度时,除了遵守上述一般原则外,还要考虑工件的化学成分、技术要求、尺寸形状、原始组织以及加热设备、冷却介质等诸多因素的影响,对加热温度予以适当调整。如合金钢零件,通常取上限,对于形状复杂零件取下限。 
  强韧化新工艺选用的淬火加热温度与常用淬火温度有所区别。如亚温淬火是亚共析钢在略低于AC3的温度奥氏体化后淬火,这样可提高韧性,降低脆性转折温度,并可消除回火脆性。如45、40Cr、60Si2等材料制成的工件亚温淬火加热温度为AC3-(5~10℃)。 
  采用高温淬火可获得较多的板条状马氏体或使全部板条马氏体提高强度和韧性。如16Mn钢在940℃淬火,5CrMnMo钢在890℃淬火,20CrMnMo钢在920℃淬火,效果较好。 
  高碳钢低温、快速、短时加热淬火,适当降低高碳钢的淬火加热温度,或采用快速加热及缩短保温时间的办法,可减少奥氏体的碳含量,提高钢的韧性。 
  2. 保温时间 
  为了使工件内外各部分均完成组织转变、碳化物溶解及奥氏体的成分均匀化,就必须在淬火加热温度保温一定时间,即保温时间。 
  3. 淬火介质 
  工件进行淬火冷却所使用的介质称为淬火冷却介质(或淬火介质)。理想的淬火介质应具备的条件是使工件既能淬成马氏体,又不致引起太大的淬火应力。这就要求在C曲线的“鼻子”以上温度缓冷,以减小急冷所产生的热应力;在“鼻子”处冷却速度要大于临界冷却速度,以保证过冷奥氏体不发生非马氏体转变;在“鼻子”下方,特别使Ms点一下温度时,冷却速度应尽量小,以减小组织转变的应力。 
  生产中常用的冷却介质有:水、水溶液、油,另外还有熔盐、熔碱等。 
  ① 水:优点是在650~550℃范围内有很大的冷却能力,且安全、价廉、对环境污染较小且易控制,易实现自动化;其缺点是在300~200℃范围内冷却仍很快,易引起钢的淬裂。 
  ② 食盐水溶液:常用5%~15%的NaCl溶液,优点是可增加650~550℃范围内的冷却,且基本上不改变300~200℃时的冷却能力,可避免淬火软点,使硬度均匀,是工厂中最常用之淬火介质。 
  ③ 碱水溶液:常用5%~15%的NaOH水溶液,优点是可增加650~550℃范围内的冷速,基本不改变300~200℃的冷却能力,缺点是腐蚀性大,化学稳定性差,易变质。 
  ④ 油:优点是无论在高温650~550℃,还是在低温300~200℃,冷却中都很缓慢,且工件一般不易开裂。缺点是易燃,使用性质会逐渐改变,价格高。 
  一般而言,碳素钢淬火用水冷,合金钢淬火用油冷。 
  4. 冷却方法 生产实践中应用最广泛的淬火分类是以冷却方式的不同划分的。主要有单液淬火、双液淬火、分级淬火和等温淬火等。 
  特殊工件也采用压缩空气淬火、喷雾淬火、喷流淬火。 
  (1)单液淬火法 将加热的工件放入一种淬火介质中连续冷却至室温的操作方法。优缺点:操作简单,易实现机械化与自动化,适用于形状简单的工件,但此法水冷变形大,油冷难淬硬,可将油、水双冷结合起来进行如下的双液淬火。 
  (2)双液淬火法 将加热的碳钢先在水或盐水中冷却,冷到(300~400)℃时迅速移入油中冷却,这种水淬油冷的方法称为双液淬火法。优缺点:既可使工件淬硬,又能减少淬火的内应力,有效地防止产生淬火裂纹,主要用于形状复杂的高碳工具钢,如丝锥、板牙等。缺点是操作困难,技术要熟练。 
  (3)分级淬火法 分级淬火法是把加热好的工件先投入温度稍高于Ms点的盐浴或碱浴中快速冷却停留一段时间,待其表面与心部达到介质温度后取出空冷,使之发生马氏体转变。 优缺点:比双液淬火进一步减少了应力和变形,操作较易。但由于盐浴、碱浴的冷却能力较小,故只适用于形状较复杂、尺寸较小的工作。 
  (4)等温淬火法 此法与分级淬火法相类似,只是在盐浴或碱浴中的保温时间要足够长,使过冷奥氏体等温转变为有高强韧性的下贝氏体组织,然后取出空冷。 
  优缺点:由于淬火内应力小,能有效地防止变形和开裂,但此法缺点是生产周期较长又要一定设备,常用于薄、细而形状复杂的尺寸要求精确,并且要求强韧性高的工件,如成型刀具、模具和弹簧等。 
  5. 淬透性 
  淬透性是指材料获得淬硬层深度的能力。 
  一般规定从工件表层深入到半马氏体区(马氏体与非马氏体组织各占一半的地方易测定硬度)的深度为淬硬层深度。淬硬层越深,就表明钢的淬透性越好,如果淬硬层深度达到心部,则表明该钢全部淬透。 
  钢的淬透性好坏对机械性能影响很大,但并非所有的机械零件都必须完全淬透。例如,承受弯、扭应力的轴类零件,表面热处理的零件等,只需要一定深度的淬硬层就已满足使用要求。 
  钢的淬透性主要决定于临界冷却速度,临界冷却速度越小,钢的淬透性就越好,反之,则降低钢的淬透性。除Co以外,大多数合金元素都能显著提高钢的淬透性。 
  应当注意的是,淬透性和淬硬性是两个不同的概念,不可混淆。淬硬性是指淬火后获得的最高硬度,主要取决于马氏体中的含碳量。淬透性好的钢,它的淬硬性不一定高。如高碳工具钢与低碳合金钢相比,前者淬硬性高但淬透性低,后者淬硬性低但淬透性高。

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