淬火以及淬火工艺ppt

  • A+
所属分类:轴承钢
第八章 淬火及淬火工艺 主要内容 1. 淬火加热 2. 淬火介质 3. 钢的淬透性 4. 淬火工艺 5. 表面淬火 6. 淬火缺陷 前 言1 淬火是热处理工艺中最重要的工艺。 从广义上说,淬火是将合金在高
淬火以及淬火工艺ppt

淬火以及淬火工艺ppt

  

淬火以及淬火工艺ppt

淬火以及淬火工艺ppt

淬火以及淬火工艺ppt

淬火以及淬火工艺ppt

  第八章 淬火及淬火工艺 主要内容 1. 淬火加热 2. 淬火介质 3. 钢的淬透性 4. 淬火工艺 5. 表面淬火 6. 淬火缺陷 前 言1 淬火是热处理工艺中最重要的工艺。 从广义上说,淬火是将合金在高温下所具有的状态以过冷、过饱和状态固定至室温,或使基体转变成晶体结构与高温状态不同的亚稳状态的热处理形式。 前 言2 根据淬火时合金组织、结构变化的特点,可将淬火分为两类, 两类淬火本质上有很大差别。 (1) 无多型性转变合金的淬火:固溶处理; 以铝合金为代表 (2) 有多型性转变合金的淬火:淬火。 以钢为代表 前 言3 前 言4 淬火工艺分类 按加热温度分:完全淬火、不完全淬火和亚温淬火等; 按加热介质分:空气加热淬火、可控气氛加热淬火、真空加热淬火、盐浴加热淬火、铅浴加热淬火、流动粒子加热淬火等; 按冷却方式分:单液淬火、双液淬火、预冷淬火、分级淬火以及等温淬火等; 按冷却介质分:空冷淬火、气冷淬火、风冷淬火、水冷淬火、油冷淬火、盐水淬火、热浴淬火、喷液淬火、喷雾淬火等; 按淬火部位分:整体淬火、局部淬火、表面淬火等。 8.1 淬火加热 8. 1. 1 淬火加热温度 8. 1. 2 淬火加热时间 8. 1. 3 淬火加热介质 确定淬火温度的依据 (1)钢的化学成分(临界点Ac1及Ac3); (2)工件的尺寸、形状与技术要求; (3)奥氏体的晶粒长大倾向; (4)采用的淬火介质与淬火方法。 (1)化学成分是决定淬火温度最主要的因素。碳钢的淬火加热温度: 亚共析钢为Ac3 +(30~50 °C), 共析钢、过共析钢为Acl +(30~50 °C) 。 亚共析钢: 亚共析钢除进行亚温淬火时采用略低于Ac3的温度加热外,一般都进行完全奥氏体化加热。 亚共析钢一般选择在Ac3以上淬火加热的原因: 如果低于Ac3,组织中会保留一部分先共析铁素体,淬火后会出现软点,使硬度达不到要求。同时,由于这种组织上的不均匀性,还可能影响回火后的机械性能。 为了不致引起奥氏体晶粒的粗化以及尽可能减小淬火缺陷,温度还不能选得过高, 在原则上亚共析钢淬火加热温度定为Ac3 +(30~50 °C)。一般在空气炉中加热比在盐浴中加热高10~30 °C,采用油、硝盐淬火介质时,淬火加热温度应比水淬提高20 °C左右。 过共析钢: 过共析钢一般选择在Ac1+(30~50 °C)加热 过共析钢在淬火加热以前,都要经过球化处理(如有网状渗碳体存在,则应先正火予以消除,然后再加热淬火),故加热至Ac1以上时,其组织是奥氏体和一部分未溶的粒状碳化物。淬火后,奥氏体转变为马氏体,未溶碳化物被保留下来,这不但不会降低钢的硬度,反而对提高耐磨性有利。 如果把过共析钢加热到Acm以上,从单相奥氏体状态淬火,结果不但无益,反而有害,原因如下。 原因如下: (1)奥氏体中溶人碳量的增加使MS点降低,淬火后所得的残余奥氏体量将增多,结果使淬火钢的硬度下降; (2)奥氏体的晶粒粗化,淬火后得到粗大马氏体,使钢的脆性大为增加; (3)空气介质加热时钢的脱碳氧化严重,降低淬火钢的表面质量; (4)增大淬火应力,从而增大工件变形与开裂的倾向。 低合金钢: 淬火温度也应根据其临界点(Ac1及Ac3)来选定,但考虑到合金元素的作用,为了加速奥氏体化, 过共析低合金钢:Ac1+(50~110 °C) , 亚共析低合金钢:Ac3+(30~100 °C); 高速钢、高铬钢及不锈钢应根据合金碳化物溶入奥氏体的程度选定。一般高速钢的淬火加热温度比其Ac1高出30°C以上。 低碳马氏体钢淬透性较低,应提高淬火温度以增大淬硬层; 中碳钢及中碳合金钢应适当提高淬火温度来减少淬火后片状马氏体的相对含量,以提高钢的韧性; 高碳钢采用低温淬火或快速加热可限制奥氏体固溶碳量,而增加淬火后板条马氏体的含量可减少淬火钢的脆性。 过热敏感性强(如锰钢)及脱碳敏感性强的钢(如含钼钢),不宜取上限温度。 8. 1. 2加热时间的确定 加热与保温时间由工件入炉到到达指定工艺温度所需升温时间(τ1 )、透热时间(τ2 )及组织转变所需时间(τ3)组成,即τ=τ1+τ2+τ3 τ1+τ2由设备功率、加热介质及工件尺寸、装炉数量等因素决定,τ3则与钢材的成分、组织及热处理技术要求等有关。普通碳钢及低合金钢在透热后保温5~15min即可满足组织转变的要求,合金结构钢透热后应保温15~25min。 高合金工具钢、不锈钢等为了充分溶解原始组织中的碳化物,应在不使奥氏体晶粒过于粗化的前提下,适当提高奥氏体化温度,以缩短保温时间。 计算加热时间的经验公式一般以工件“有效厚度”乘以加热系数,即 τ =αkD 式中τ——保温时间,min; α—保温时间系数,min/mm; k—工件装炉方式修正系数; D—工件有效厚度,mm。 保温时间系数可从表8. 2查出,装炉方式修正系数见表8. 3, 图8.4为工件有效厚度计算实例,形状复杂的工件可分别按工作部位几何尺寸的最大厚度确定D值。 表8.4列出了工模具钢在盐浴及气体介质炉中的加热时间。 生产实践表明,传统的加热时间计算偏于保守,可依具体情况适当缩短。 8. 1. 3加热介质的选择 工件的加热是在一定介质中进行的。采用不同的加热设备,与工件接触的介质也就不同。目前常用的加热介质有空气、盐浴、石墨或三氧化二铝等固体粒子、气体燃烧产物、可控气氛以及稀薄气体(线空气 在箱式或井式电炉中加热时,与工件接触的介质是空气,其主要成分中的氧以及少量存在的二氧化碳和水蒸气均可使工件氧化(主要在650°C以上),前二者还能使工件脱碳(钢件表面碳含量降低)。 8. 1. 3. 2液体介质 液体介质淬火加热经常在液体介质中进行,主要指采用盐浴加热。它的优点是炉温较易控制、工件受热均匀、加热速度快、工件不易氧化脱碳、变形小且易于局部加热等。但是,如果不能及时除去盐中氧化性杂质,仍会使工件产生脱碳或腐蚀,故必须对盐浴经常定期进行脱氧处理。 8. 1. 3. 3固体介质 流态床加热采用固体粒子(石墨、石英砂或刚玉等)作为加热介质。当通人一定流速的气流时,粒子就会呈悬浮状像流体一样地运动,在粒子堆表面呈沸腾状态,内部粒子则呈快速湍流运动,这种称为粒子被流态化。通过电加热使流动粒子很快被加热到所需温度,靠它们来加热工件。 使用这种加热介质的炉子名称曾很多,如流动粒子炉、流化床、流态床或沸腾层炉等,目前国家标准中称之为流态床。采用这种加热介质的优点很多:①升温快(20多分钟可升至850°C ),炉温较均匀且易控制;②使用温度范围广泛(高、中、低温均可);③工件处理后表面无氧化脱碳;④启动方便,节省电能等。但它还存在一些缺点,如工作电压较高(60~80V),有粉尘逸出,炉子生产能力较小等,均待进一步改进。 8. 2 淬火介质 8. 2. 1 在有物态变化的介质中的冷却过程 8. 2. 2 在无物态变化的介质中的冷却过程 8. 2. 3 常用的淬火介质 8. 2. 3. 1 水 8. 2. 3. 2 盐水和碱水 8. 2. 3. 3 淬火油 8. 2. 3. 4 高分子聚合物淬火介质 8. 2. 3. 5 盐浴 8. 2. 3. 6 气体 8. 2. 3. 7 流态床 8. 2. 4 影响淬火介质冷却能力的因素 8. 2 淬火介质 冷却也是淬火的重要工序。变形、开裂、硬度不足等不少淬火缺陷往往是因冷却介质和冷却方法选择不当所造成的。因此,对淬火介质的选择,一直是热处理工作者所重视的问题。 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。 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”处冷速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,特别是MS点以下温度时,冷速应尽量小,以减小组织转变的应力。 生产中实际使用的淬火介质可分为两大类: 一类是工件在冷却过程中会发生物态变化的介质; 另一类是不发生物态变化的介质。 因其冷却特性的不同,直接影响工件的冷却速度。 8. 2. 1在有物态变化的介质中的冷却过程 介质在淬火过程中要发生物态变化,如水、水溶液及油类等。其特点是沸点较低,工件的冷却过程伴随着淬火介质的汽化,因而从工件表面吸收了大量的热量,加速了工件的冷却。 汽化是决定这类介质冷却物性的主要因素。 (1)蒸汽膜阶段(图中AB段)当工件刚进人介质的瞬间,周围介质立即被加热而汽化,形成一层工件表面蒸汽膜。这层蒸汽膜是热的不良导体,它阻断了工件和冷却介质的接触,所以在这个阶段工件的冷却速度较慢。 (2)沸腾阶段(图中BC段)当工件表面产生的蒸汽量少于蒸汽从表面逸出的量时,工件表面的蒸汽膜就会破裂,工件与介质直接接触,介质在工件表面剧烈沸腾,不断逸出气泡,带走大量热量,使工件冷速骤增。泡状沸腾阶段是工件冷却速度最大的阶段。 (3)对流阶段(图中CD)当工件的温度降到冷却介质的沸点以下时,沸腾便停止,进人对流冷却阶段。在此阶段,工件的冷却速度比蒸汽膜阶段还要慢,而且随工件表面与介质的温差不断减小,其冷速越来越小。 冷却过程三个阶段有两个转换点B和C。 B点对应的温度称为介质的特性温度,是稳定的蒸汽膜破裂时的温度; C点对应的温度是介质对流阶段的开始温度,一般为介质的沸点温度。 8. 2. 2在无物态变化的介质中的冷却过程 介质在淬火过程中不发生物态变化,如熔盐、熔碱、熔融金属及气体等。 工件的冷却主要靠辐射、对流和传导来进行,而介质本身并不气化。 在工件冷却的全部过程中,决定冷却速度的主要因素是工件与介质的温差,温差越大,冷却速度越快。 工件刚进人介质时,温差最大,因而立刻达到最高冷速,此后随温差的减小,冷却速度也逐渐变小。在这类介质的冷却曲线上,没有表明冷却速度明显加快或减慢的转折,即整个冷却过程中冷却速度是平缓降低的。 此外,介质本身流动性的好坏也是影响其冷却速度的重要因素。流动性好,则冷却速度大。 8. 2. 3常用的淬火介质 常用的淬火介质有水、水溶液、淬火油、高分子聚合物、熔盐、熔碱等。 8. 2. 3. 1水 水是冷却能力较强的常用淬火介质。它来源广,价格低,不易变质,清洁,安全。虽然水的冷却能力比较强,但其缺点是在C曲线°C),水处于蒸汽膜阶段,膜状沸腾阶段长,冷速不够快,有可能形成淬火“软点”;而在马氏体转变温度区(300~100°C左右),水处于沸腾阶段,出现最大冷速,易使马氏体转变速度过快而产生很大的内应力,致使工件变形甚至开裂。因此水适用于截面尺寸不大、形状简单的碳素钢工件的淬火冷却。 水温对水的冷却能力有强烈的影响,水温升高会显著降低其冷却能力,因此淬火水槽的温度应保持在40℃以下。静止水的冷却特性不是很理想。循环或搅动会增加沿工件表面的水流动速度,能促使蒸汽提早破裂。提高水的冷却能力,特别是提高在一般钢的奥氏体不稳定区的冷却速度,因此应重视淬火槽的循环与搅拌系统的合理设计。 用水进行喷射淬火,可使蒸汽膜提早破裂,显著提高在较高温度区间的换热系数和冷却速度。喷水的压力越高,流量越大,效果越显著。 8.2.3.2盐水和碱水 在水中加入适量的盐和碱,可以加快蒸汽膜破裂,提前进人泡状沸腾阶段,提高在高温区的冷却速度,使钢件获得较厚的淬硬层。这类水溶液主要有氯化钠、氯化钙、氢氧化钠以及所谓三硝水溶液等。 氯化钠(NaCl)水溶液目前采用的比较普遍,其优点是:①蒸气膜因盐的加人而提早破裂,含氯化钠(质量分数)10%的水溶液几乎没有蒸汽膜阶段,特性温度比水高,高温(550~650°C)区间的冷却能力约为水的十倍,使钢件淬火后的硬度高而均匀;②冷却能力受温度的影响较水小。一般情况下,采用盐水的浓度为5%~15%(质量)。广泛用于碳钢的单介质淬火或合金钢的水淬油冷的双介质淬火。 8.2.3.2盐水和碱水 氢氧化钠(NaOH)水溶液的换热系数比氯化钠水溶液更大。 5%~15%(质量)氢氧化钠水溶液是目前冷却能力最强的淬火介质,而在200°C以下的冷却速度却低于水。 浓度超过20%(质量)时,冷却速度随浓度增加而减慢。 浓度达到50%(质量)时,在高温区仍可保持相当高的冷却速度。 氢氧化钠水溶液在300°C以下的冷却速度比水低得多,对于易变形和淬裂的工件淬火特别有利。它可与已氧化的工件表面作用而析出氢,使氧化皮脱落,淬火后工件表面呈银白色,比较洁净。其使用温度应不超过60°C。工件淬火后应及时清洗并进行防锈处理。 缺点是腐蚀性大,对环境污染严重,不宜广泛应用。 容易吸收空气中的二氧化碳而改变其成分与冷却能力,也值得注意。 三硝水溶液是由25%NaNO3+20% NaNO2 + 20% KNO3+35%H2 O(质量)组成的淬火介质。 三硝水溶液在高温(500 ~650°C)时由于有盐晶体析出,可破坏蒸汽膜形成,冷却能力接近于水; 在低温(200~300°C)时由于浓度极高,流动性差,冷却能力接近于油。 因此,三硝水溶液可代替水一油双介质淬火。三硝水溶液属于过饱和硝盐水溶液,适用于碳钢和低合金钢工件的淬火。其使用温度在20 ~ 60°C之间,使用时应经常搅拌,密度控制在1. 45-1. 50g/cm3。 应采取切实的措施,防止工件带出的废液和随后清洗的废水造成环境的污染。 8. 2. 3. 3淬火油 淬火油分为全损耗系统用油、普通淬火油、快速淬火油、光亮淬火油和真空淬火油。 全损耗系统用油即机械油,按40°C时的运动黏度分为N15, N22, N46, N100等若干等级,与10号、20号、40号、50号机械油相对应。油的号数越大,黏度越大,闪点越高,冷却能力越低,但使用温度可相应提高。所谓闪点是指油表面上的蒸气和空气自然混合时与火接触而出现火苗闪光的温度。生产中油温一般控制在20-80度。 在常温下使用的油,应选用黏度较低的10号或22号全损耗系统用油,使用温度应低于80度。用于分级淬火时则应选用闪点较高的100号全损耗系统用油。 普通淬火油是向全损耗系统用油中加入催冷剂、抗氧化剂、表面活性剂等添加物调制而成的。普通淬火油属于中速淬火油,初步解决了全损耗系统用油冷却能力较低、易氧化和老化等问题。 8. 2. 3. 3淬火油 快速淬火油是在普通淬火油的基础上加入效果更高的催冷剂而制成的,其冷却能力比普通淬火油强。 生产实践表明,快速淬火油在过冷奥氏体不稳定区冷速明显高于普通淬火油,而在低温马氏体转变区冷速与普通淬火油相接近。这样既可得到较高的淬透性和淬硬性,又能大大减少变形,适用于形状复杂的合金钢工件的淬火。 普通淬火油和快速淬火油中的添加剂,随着使用时间的增加而逐渐被消耗,其冷却能力也随着降低。因此需要经常测定和记录其冷却速度变化情况,并加入新的添加剂进行校正。 由于添加剂很容易溶解于水,因而微量水[0.5%(质量)]带入油槽中会使快速淬火油在高温范围的冷却速度明显降低。因此应重视淬火油槽的保养。 光亮淬火油是以高品质矿油(比如以石蜡质原油炼制的矿油)作为基础油,往其中加人添加剂而制成的。 添加剂的主要成分是光亮剂,其作用是将不溶解于油的老化产物悬浮起来,防止在工件上积聚和沉淀。同时光亮剂也能阻止工件表面积炭胶粒的继续长大,从而提高淬火后工件的光亮度。 光亮淬火油添加剂中还含有抗氧化剂、表面活性剂和催冷剂等。 工件经光亮淬火油淬火,几乎没有油受热裂解产生的树脂状物质和灰分粘附在表面,使工件在淬火后保持表面光亮。 我国生产的光亮淬火油有GZ-1, GZ-2和GZ-3三个型号。一般认为低黏度油的光亮效果比高黏度油的光亮效果好。 真空淬火油是以石蜡基润滑油分馏,经溶剂脱蜡、溶剂精制、白土处理和真空蒸馏、真空脱气后,加人催冷剂、光亮剂、抗氧化剂等添加剂配制而成。 真空淬火油是用于真空淬火冷却的介质。真空淬火油必须具备低的饱和蒸气压,较高而稳定的冷却能力以及良好的光亮性和热安定性,否则会影响真空热处理的效果。 国产的线两种。真空淬火油的冷却性能随真空度而改变。真空度越高,蒸气膜越稳定,泡状沸腾开始温度越低。 8.2.3.4 高分子聚合物淬火介质 由各种高分子聚合物配以适量的防腐剂和防锈剂而制成的。 使用时根据需要加水稀释成不同浓度的溶液,可以得到水、油之间或比油更慢的冷却能力。 它不燃烧,没有烟雾,被认为是有发展前途的淬火油代用品。用其淬火时往往在工件表面形成一层聚合物薄膜,从而改变冷却特性。浓度越高,膜层越厚,冷速越慢。液温升高使冷速减慢,搅动使冷速加快。 常用的高分子聚合物淬火介质主要有聚乙烯醇、聚二醇、聚乙烯毗咯烷酮、聚乙二醇、聚异丁烯顺烯二酸钠、聚酞胺、聚丙烯酸钠、聚乙基咪哇琳等。 8. 2. 3. 5 盐浴 盐浴属于不发生物态变化的淬火介质,一般用作分级淬火和等温淬火的冷却介质。 工件在这类介质中淬火主要靠对流冷却。这类介质通常在高温区冷速快,在低温区冷速慢。 形状复杂、截面尺寸变化悬殊的工模具和工件在其中分级淬火或等温淬火,可以有效地减少畸变和开裂。 切忌用石墨或铸铁柑祸作硝盐浴的容器,以免发生爆炸。 硝盐浴的缺点是易对环境造成污染,对工件有氧化及腐蚀作用,应尽量限制使用。 8. 2. 3. 6 气体 空气、氮气、氦气、氢气等都可用作淬火冷却介质 尺寸不大的高速钢工件和Cr12系列等高淬透性合金钢工件,用静止的或流动的空气作冷却介质,即可淬硬,这就是所谓的常压气淬。为了提高冷却速度,可将工件放在平整的铁板或钢板上,并在上方置一风扇吹风冷却,使工作面达到高硬度且畸变很小。小于50mm厚度的凹模可以淬硬,厚度更大者需放在通水冷却的铜板上淬硬。 真空热处理炉和热等静压设备的应用逐渐增多。在真空奥氏体化后或热等静压后,可采用高压气淬,既可使工件淬火硬化,又可使工件淬火变形更小。 线 MPa的氮或氦气作淬火介质。热等静压后的高压气淬则可采用100~200MPa的气体作淬火介质。采用高压气淬,工件冷却均匀,淬火畸变很小,表面整洁,对环境无污染。 8. 2. 3. 7 流态床 流态床既可用于淬火加热,也可用于淬火冷却。调整压缩空气的流量和流速,选用不同种类的固体微粒,控制其粒度、流态床深度和温度等,即可调节其冷却能力。 流态床的冷却能力介于空气和油之间,接近于油。流态床的冷却均匀,工件淬火变形小,表面光洁,适合于淬透性高、形状复杂和截面不大的合金钢件淬火。流态床淬火介质无腐蚀性,不会老化变质,无引燃爆炸的危险,使用安全。 为了增加气固流态床的冷却能力,可在其中加人适量的水,以形成气液固流态床。气液固流态床适合于工模具的淬火。 8. 2. 4 影响淬火介质冷却能力的因素 淬火介质的冷却能力评定方法 ①按介质的冷却曲线来评定 该曲线是试样在介质中的温度与冷却时间的关系曲线,它能直观地反映出整个冷却过程(三个阶段)及800~100°C温度区间的冷却时间。一般可用此冷却时间来评定介质的冷却能力,此时间越短,冷却能力越大。 ②按冷却速度特性曲线来评定 此曲线反映了整个冷却过程(所经整个温度区间)的瞬时冷却速度及其变化,可直观地反映出冷却的三个阶段及各温度下的冷却能力。与图8. 3对照可知,淬火介质的蒸气膜阶段越短,沸腾阶段延续的温度越低,介质的冷却能力就越强。显然,淬火介质的特性温度(蒸气膜阶段结束或沸腾阶段开始的温度)越高,沸点越低,则沸腾阶段越长(延续的温度范围越广),其冷却能力就越强。特性温度与沸点的高低,主要由介质本身的性质所决定,630供水螺旋焊接钢管库存规格阳江,但也受外界的影响而发生变化。 ③按淬火激烈度H值来评定 这是一种根据钢的淬透深度来评定介质冷却能力的方法,一般假定18°C静水的H值为1,以此来与其他介质对比。 影响淬火介质冷却能力的因素主要是温度和搅拌。 (1)温度 水和水为基的介质随温度升高冷却能力下降,不过降低的程度有所不同。油与水相反,随温度升高,流动性变好,利于散热,在一定温度范围内提高冷却能力,黏度大的油更明显。 (2)搅拌 搅动会增大液体换热系数,尽早破坏蒸汽膜,提高对流阶段的冷速,并使工件冷却均匀。一定速度的搅拌对消除工件的软点、翘曲及开裂等缺陷均有良好的效果。最好采用介质流动和工件运动配合使用的冷却方法。 用喷射介质的冷却方法,可使冷却H值提高4倍,因为喷射水冷不存在蒸汽膜阶段,工件冷却靠水的快速汽化来进行,使冷却能力显著提高。 感应加热淬火常用喷射液体冷却的喷液淬火法,既提高硬度又可防止变形开裂。 介质搅动情况对冷却激烈度H值的影响 8. 3钢的淬透性 8. 3. 1 淬透性与淬硬性 8. 3. 2 淬透性的测定方法 8. 3. 3 淬透性的应用 8. 3钢的淬透性 钢件淬火后,能否由表及里全部淬为马氏体或(和)贝氏体组织,是人们关心的一个重要问题。这就涉及钢的淬透性和淬硬性等问题。 钢的淬透性和淬硬性是表征钢材接受淬火能力大小的两项重要性能指标,它们是选材、用材和制定热处理工艺的重要依据。 8. 3. 1淬透性与淬硬性 由马氏体相变理论可知,钢经奥氏体化后,如果冷却速度大于临界冷速,就会得到高硬度的马氏体;如果冷却速度小于临界冷速,就会得到硬度不高的非马氏体组织。 然而钢件是具有一定尺寸的,其表面和心部的冷却速度是不一样的。表面的冷速大,心部的冷速小。 如果中心的冷速高于临界冷速,将由表及里都获得高硬度的马氏体组织,我们则称之为“淬透”了; 如果心部的冷速小于临界冷速,淬火后仅表层获得马氏体组织,而心部获得非马氏体组织,我们则称之为“未淬透”。。 钢材是否被淬透,对其性能影响很大。比如,结构钢在淬火后如果得到全马氏体组织,其力学性能比淬火后出现非马氏体组织要高。表现在完全淬透工件,其屈强比比不完全淬透的高,断面收缩率也高5%~10%,马氏体多的工件疲劳强度也高。淬火后得到全马氏体组织的钢回火后具有最高的冲击韧度值,韧脆转变温度也低。淬火组织中的非马氏体显著恶化钢的韧性。但钢中淬火后体积分数为10%非马氏体组织对力学性能影响不显著。 各种钢制工件的淬硬层深度需按其工作条件而定,并非一律要求全部淬透。 一般用淬透性的大小来衡量钢被淬透的能力。 淬透性(hardenability)是以在规定条件下钢试样淬硬深度和硬度分布表征的材料特性。 钢的淬透性是指钢件能够被淬透的能力,是表征钢材淬火时获得马氏体的能力的特性。 它和钢的过冷奥氏体的稳定性有关,主要取决于钢的临界冷却速度vc。vc越小,越易被淬透,反之则不易被淬透。 淬透性的测量是用一定条件下的淬硬层深度或用在某种冷却介质中可完全淬透的最大截面直径—临界直径dc来表示。 淬透层深度常用由表面至半马氏体组织层(体积分数为50%马氏体和体积分数为50%非马氏体组织)的最大距离来表示。 通常,我们将工件从奥氏体状态急冷硬化的表层称为淬硬层。从理论上讲,淬硬层深度应是全淬成马氏体的深度,如图8. 4(b)所示。但由于当非马氏体组织数量不多时,比如马氏体中混入5%~10%的少量托氏体时,无论用金相或硬度方法都难以区分。而半马氏体区不仅硬度发生陡降,其金相组织的特征也较明显。 对淬火工件断面进行腐蚀后,会有一条较为明显的白亮淬火层与非硬化区的分界线,该处正是半马氏体区。通常含50%马氏体处恰好是硬度值急剧变化的地方(见图8. 5 )。 所以规定,从淬硬的工件表面量至半马氏体组织硬度值处的垂直距离称为淬透深度。 钢的淬透性与淬硬性 淬硬性(hardening capacity)是以钢在理想条件下淬火所能达到的最高硬度来表征的材料特性,它是表示钢淬火时获得硬度高低的能力,也称为可硬性。 决定钢淬硬性高低的主要因素是钢的含碳量,更确切地说是淬火加热时固溶在奥氏体中的含碳量,含碳量越高,钢的淬硬性也就越高。而钢中合金元素对淬硬性的影响不大,但对钢的淬透性却有重大影响。 淬火后硬度高的钢,不一定淬透性就高;而硬度低的钢也可能具有很高的淬透性。 两种钢材制的两根棒料,直径相同,在相同淬火介质中淬火冷却,淬火后在其横截面上观察金相组织并测出硬度分布曲线。图中画剖面线区为马氏体,其余部分为非马氏体区。 钢的淬透性和钢件在具体淬火条件下的有效淬硬深度 钢的淬透性是钢材本身所固有的属性,它只取决于其本身的内部因素,而与外部因素无关; 钢的有效淬硬深度除取决于钢材的淬透性外,还与所采用的冷却介质、工件尺寸等外部因素有关。 例如在同样奥氏体化的条件下,同一种钢的淬透性是相同的,但是水淬比油淬的有效淬硬深度大,小件比大件的有效淬硬深度大,这决不能说水淬比油淬的淬透性高,也不能说小件比大件的淬透性高。 可见评价钢的淬透性,必须排除工件形状、尺寸大小、冷却介质等外部因素的影响。 8. 3. 2淬透性的测定方法 钢的淬透性的测定方法很多,有临界直径法、端淬法、断口检验法、U形曲线法等。下面介绍临界直径法和端淬法。 8. 3. 2. 1临界直径法 钢制圆柱试样在某种介质中淬冷后,心部得到全部马氏体或50%马氏体(体积)组织时的最大直径称为临界直径,用dc表示。 dc越大,表示这种钢的淬透性越高。临界直径dc是在一定淬火条件(其中包括淬火介质的冷却能力)下测得的。 要用临界直径法来表示钢的淬透性,必须标明淬火介质的冷却能力或淬火烈度。 dc水表示钢在水中的临界直径;dc油表示钢在油中的临界直径。 为了除去临界直径值中所包含的淬火烈度的因素,用单一的数值来表征钢的淬透性,引入了理想临界直径的概念。所谓理想临界直径就是在淬火冷却烈度为无限大(∞)的理想的淬火介质中淬火冷却时的临界直径。 如此,理想临界直径的大小可直接表征钢的淬透性的高低。 利用理想临界直径可以很方便地将某种淬火条件下的临界直径换算成任何淬火条件下的临界直径。图8.7为理想临界直径dic、实际临界直径dc与淬火烈度H关系图。 例如,如果已知某种钢在循环水中冷却(H=1.2)时,其临界直径dc水=32mm,试求在循环油(H=0.4)中淬火时该种钢的临界直径。在图纵坐标取dc水=32处,作水平线的曲线相交,从交点到横坐标的垂线得到该种钢的理想临界直径dic=46mm。再从此处向上引垂线曲线相交,再从交点引水平线 mm处,于是得到该种钢在循环油中淬火时的临界直径为dc油=18mm。 掌握临界直径的数据,有助于判断工件热处理后的淬透程度,并制订出相应的合理的工艺。因此,对生产实践有一定的意义。 常用钢材在水、油以及其他介质中的临界直径可通过杳阅热处理手册获得。表8. 8是常用钢的临界直径。 临界直径的实验测定,需要制造一批不同直径的试样,测定方法也比较繁杂。特别是利用这种方法,由于检查部位的不同,往往所得的结果也不同,以致得到的结果之间相应没有可比性,所以实际生产中很少采用。 8. 3. 2. 2端淬试验 端淬试验法不但可以用于测定钢的CCT图,而且还可以用于测定钢的淬透性。该法是1938年由W. E. Jominy等建议采用的,因而国外常称为“Jominy test。它是目前测定钢的淬透性的主要方法。 国家标准GB 225-88规定端淬试验原理。 首先将试样正火处理,加工成Φ25mmX100mm的标准试样。然后在无氧化、无脱碳、无渗碳的环境下加热到规定的淬火温度,保温30士5min后,在5s之内将试样放到专用设备上对其端面喷水冷却(喷水时间至少应为10min), 将试样浸入10~30°C之间的水中完全冷却冷至室温。处理完毕后,在平行于试样轴线方向上磨制出两个相互平行的深度为0.4 ~0.5 mm的平面。 自距末端1.5mm处开始,沿长度方向每隔1.5mm(硬度变化平稳时每隔3mm)逐点测定硬度,将所测得的数据记录并绘制硬度-距末端距离的关系曲线。淬透性曲线。 端淬法就是用淬透性曲线来表示钢的淬透性的。 由于钢的淬透性受材料化学成分、晶粒度、冶炼情况等很多因素的影响,故实际测得的数值在一定的范围内波动。因此,各种钢的淬透性曲线实际上是一条淬透性带。 国家标准还规定,在不同距离处测得的硬度也可用淬透性指数J X X -d表示。其中J是Jominy的大写字头,XX表示洛氏硬度值,d表示距淬火端面的距离(mm)。例如,J45-11表示距淬火端面11 mm处的硬度为45 HRC。 在端淬试验的条件下,距端面某一距离处的冷却速度是一定的。该处的冷却速度与水冷(或油冷)时某些直径钢棒的中心、表面或距中心3R/4处的冷却速度是相同的。如图8. 9所示,曲线相对应。这表明,在油淬条件下直径为5mm钢棒的中心、直径为13mm钢棒距中心3R/4处、直径为20mm钢棒的表面,与至水冷端距离为3 mm处的冷却速度是相同的;在水淬条件下直径为18mm钢棒的中心、直径为28mm钢棒距中心3R/4处、直径为97mm钢棒的表面,与至水冷端距离为3mm处的冷却速度是相同的。这些位置的硬度也是相同的,均为62.5~66HRC。因此,在现行端淬曲线图中,往往将在水淬、油淬条件下钢棒这三种位置的直径数值分别作为相应的横坐标放在曲线图的上方。 端淬法的优点是操作简便、适用范围广。它适用于优质碳素结构钢、合金结构钢、弹簧钢、部分工模具钢、轴承钢及低淬透性结构钢;不适用于空气淬硬钢和甚低淬透性钢。由于高淬透性钢端淬曲线硬度降低很小,有的呈一水平线,因此不能用端淬法比较其淬透性。由于甚低淬透性钢的端淬试样距水冷端5mm范围内发生硬度突降,因此也很难用端淬法比较其淬透性。 高淬透性能钢可采用空气淬火法或油冷淬火法等,低淬透性钢可采用圆锥试验法或楔形试验法等。 需要指出,钢的淬透性并非在任何情况下都是越高越好,在某些场合采用低淬透性钢效果更为合适。例如,当要对汽车、拖拉机的重载荷齿轮实行轮廓淬火(沿工件外形轮廓获得一定深度的均匀淬硬层)以强化时,可采用低淬透性钢制造,进行穿透加热,利用其淬透性低只能在大于临界冷却速度的表层形成马氏体组织的特点,得到沿工件轮廓均匀分布的硬化层,从而满足技术要求。 8. 3. 3淬透性的应用 端淬曲线在选择钢材和制订热处理工艺时的应用。 8. 3. 3. 1根据端淬曲线合理选用钢材,以满足心部硬度的要求 有一圆柱形工件,直径35mm,要求油淬后表面硬度不小于45HRC,心部硬度不小于32HRC。试问能否采用40Cr钢? 从热处理手册中查到40Cr钢的端淬曲线。 在“油淬”栏内“中心”横坐标的35mm处引垂线HRC处。这说明直径为35mm的40Cr钢棒油淬后,中心处的硬度既可能是34HRC也可能是50HRC,可以满足心部硬度不小于32HRC的要求。然后在“油淬”栏内“表面”横坐标的35mm处引垂线HRC处。这说明直径为35mm的40Cr钢棒油淬后,表面硬度为48~58HRC,可以满足表面硬度不小于45 HRC的要求。 因此,可以采用40Cr钢。 8. 3. 3. 2预测钢棒淬火后的硬度分布 例:有40Cr钢直径50mm圆柱,求油淬后沿截面的硬度分布。 首先在“油淬”栏内“中心”横坐标的50mm处引垂线HRC处。这说明直径为50mm的40Cr钢棒油淬后,中心处的硬度为28~43.5HRC。接着在“油淬”栏内“表面”横坐标的50mm处引垂线,求出钢棒油淬后表面硬度为45~57HRC。 在“油淬”栏内“距中心3R/4”横坐标的50mm处引垂线,求出钢棒油淬后距中心3R/4处的硬度为33. 5~50HRC。 因此即可利用端淬曲线,求出该圆棒截面上表面、3/4半径及中心处的硬度分别为45~57HRC、33.5~50HRC和28~43.5 HRC。 8.3.3.3 根据端淬试验曲线选择淬火介质,制定热处理工艺 例:某工件由40Cr钢制造,有效厚度为50mm,要求淬火后表面硬度不低于45 HRC,心部硬度不低于30HRC。 解:由上题解法可知,由40Cr钢制造有效厚度为50mm的工件,油淬后表面硬度不低于45HRC,心部硬度不低于28HRC。表面硬度符合要求,心部硬度不符合要求。于是可以考虑采用高速淬火油,或者采用水淬油冷工艺。 前面已经指出,端淬法只适用于中等淬透性钢及较低淬透性钢,不适用于空硬钢和甚低淬透性钢,所以,无法采用端淬曲线.4.1.1 单介质淬火(单液淬火) 8.4.1.2 双介质淬火(双液淬火) 8.4.1.3 马氏体分级淬火 8.4.1.4 贝氏体等温淬火 8.4.1.5 预冷淬火 8.4.2 其他淬火工艺 8.4.2.1 亚临界温度淬火(亚温淬火或临界区淬火) 8.4.2.2 碳化物微细化淬火 8.4.2.3 循环加热淬火(超细晶粒淬火) 8.4.2.4 超高温淬火 8.4.3 冷处理 8. 4淬火工艺 从对淬火介质的分析与讨论来看,目前还没有一种能完全合乎理想淬火冷却曲线的淬火剂。 因此,除应不断探索新的淬火介质外,还需设法改进淬火方法,使得既能将工件按要求淬硬,又能减小淬火变形和防止开裂。 8. 4. 1常用的淬火工艺 8.4.1.1单介质淬火(单液淬火) 单介质淬火就是将奥氏体化工件迅速浸人某一种淬火介质中,一直冷到室温的淬火操作方法,见图8. 12中的曲线a。它是通常应用最广泛、最简单的一种淬火方法。 单介质淬火选择冷却介质时,必须保证工件在该介质中的冷却速度大于此钢种的临界冷却速度,并应保证工件不会淬裂。单介质淬火采用的介质可以是水、盐水、碱水、油、气体、热盐浴及有机物溶液中的任何一种淬火剂。 一般情况下,碳素钢淬水,合金钢淬油。因碳钢的淬透性低,故多用水淬(包括各种水溶液); 合金钢则因淬透性较高,且水淬易裂,故常用油淬(包括冷却能力与油相近的其他介质)。小尺寸的碳钢工件(直径小于5mm)也可用油淬。 8.4.1.2双介质淬火(双液淬火) 双介质淬火又称双液淬火。它是将钢件奥氏体化后,先浸人一种冷却能力强的介质,在组织即将发生马氏体转变时立即转人冷却能力弱的介质中冷却的淬火工艺。先水后油、先水后空气等均属双介质淬火。其工艺曲线中的曲线b所示。典型例子是碳素工具钢的水淬油冷,即将工件先淬人水中避开C曲线℃左右进行马氏体转变时,再浸入油中缓冷,这样就能有效地减少变形、开裂。 双液淬火的关键是准确控制工件在第一种介质中的停留时间,或者说工件由第一种介质转人第二种介质时的温度。因为,如果在第一种介质中停留时间过短(工件温度过高,尚在C曲线鼻部以上),取出后缓冷时奥氏体会发生分解,从而达不到淬火的目的。如果时间过长(工件温度过低,到达Ms点以下),则已发生马氏体转变,失去双液淬火的意义(变成单液淬火)。在第一种介质中停留时间的确定方法,经多年的经验积累可归纳如下。 (1)计算法一般可按1s/(3~4)mm的经验公式来计算。对合金钢和高碳钢取上限,对中碳钢则取下限。 (2)水声法工件淬人水中会立即发出“咝咝”的声音,当此声音由强变弱即将消失之前,立即将工件转人第二种介质中冷却。 (3)震动法工件淬入水后,通过淬火工具(拎钩等),手中会感到一种震动,当此震动大为减弱时立即转人第二介质(如油或空气)中冷却。但此法只适于静止水槽,且需操作者有相当熟练的操作技术,一般不易掌握。 显然,采用双液淬火既能保证工件淬硬,又不致因工件在马氏体区冷速过大而出现较大的变形或开裂等缺陷。它主要适用于碳钢制造的中型工件(如直径十几毫米的刀具)和合金钢制造的较大尺寸工件的淬火。 由于双介质淬火受人为因素影响较大,质量不易控制,在应用方面有一定的局限性。 8. 4. 1. 3马氏体分级淬火 如图8. 12中的曲线。所示,马氏体分级淬火一般是将工件加热奥氏体化后浸入温度稍高或稍低于Ms点的碱浴或盐浴中保持适当时间,在工件整体达到介质温度后取出空冷以获得马氏体的淬火工艺。 工件进行分级淬火时,一方面由于在分级温度停留使工 件截面的温度均匀后再空冷,大大减少了工件内外冷速的差别,所以使马氏体转变的不同时性明显降低,能有效地减少组织应力;另一方面由高温状态淬人200℃左右(略高于钢的Ms点)冷速缓慢的浴炉中,产生的热应力较双液淬火小,同时200℃左右的保温还能消除一部分热应力,而且分级停留后的空冷,冷速更缓,因此使工件在整个淬火过程中产生的热应力也大大减小。总之,分级淬火能有效地减小工件的淬火变形、开裂倾向。另外,由于浴炉的温度较高,工件还有一定的塑性,故便于进行热校直,这些都是其优点。 分级淬火的缺点是工件在200℃左右的浴炉中冷速较小。钢在分级淬火时的临界直径比水淬、油淬都要小。比如,GCr15钢水淬、油淬时的临界直径分别为32.25mm、19.75mm,而在硝盐中分级淬火时的临界直径却降为12. 5mm。因此,大截面的碳钢、低合金钢工件不适于采用分级淬火。一般而言,分级淬火适用于变形要求严格的合金钢和高合金钢工件,也可用于截面尺寸不大、形状复杂的碳素钢工件。 为了增加淬透深度,除可适当提高淬火温度外,有时还采用Ms点以下的分级淬火(见图8. 12d线)。此时分级温度多选用130 ~160℃(或Ms点以下50~100℃),这样就能增大工件在第一段的冷却速度,适用于尺寸较大的低淬透性钢工件。如果分级温度再低,就和热油中的单液淬火相差不多。采用分级淬火时,工件在冷到分级温度时已有相当量的马氏体形成,它在保温期间已被回火,然后在工件取出空冷时,余下的奥氏体再转变为马氏体。此法可得到比一般分级淬火更深的淬硬层,但残余奥氏体量增多(因发生热稳定化)。 对于形状复杂的高合金钢工具,可采用多次分级淬火。分级温度应尽量选择在奥氏体的稳定性较大的区域,以防止分级中发生非马氏体转变。 如果在分级后取出工件急冷(水或油冷),则称为变异的Ms点以下的分级淬火。此法可减小奥氏体的稳定化,有利于尺寸稳定。 8.4.1.4贝氏体等温淬火 所谓贝氏体等温淬火,是将工件加热奥氏体化后快冷到奥氏体转变区间等温保持,使奥氏体转变为贝氏体的淬火,有时也称之为贝氏体淬火,简称等温淬火,如图8. 12中的曲线e所示。 等温淬火时,对一些淬透性较低的钢,加热温度最好比普通淬火高些(例如对碳钢工件可高出30℃左右),以提高奥氏体的稳定性和增大冷速,避免中途发生奥氏体的分解而影响质量。等温温度与时间主要应依据工件的组织及性能要求,从该钢的C曲线上选定。部分钢种的适宜等温温度与时间范围如表8. 9所列(尺寸较大或硬度要求较低者取时间的上限;等温温度取上限时,等温时间应适当缩短)。等温淬火的介质常用混合盐(或碱)浴。 8.4.1.5 预冷淬火 预冷淬火又称冷待淬火,即工件加热奥氏体化后浸人淬火冷却介质前先在空气中停留适当时间(延迟时间)的淬火。预冷淬火的关键是控制预冷时间(或预冷温度),一般在空气中冷却到的温度应略高于Ar3(或ArI)点,其工艺曲线中曲线f所示。 实践证明,预冷淬火不仅可保证工件的淬火硬度与淬硬层深度不降低,而且更主要的是能使淬火应力(主要是热应力)减小,因而是减小淬火变形与开裂的有效措施之一。工件淬火冷却时,其尖角和薄壁处冷速最快,如果从较高温度直接浸入冷却介质,由于这些部位先于其他部位发生马氏体转变,会产生很大的应力,使这些较薄弱部位极易产生裂纹。因此采取适当的预冷措施,使尖角和薄壁处因散热快而温度降得比其他部位低,减小了淬火时工件(特别是尖角和薄壁处)与介质的温差,使冷速减缓,从而就可减少淬火应力,有效地避免裂纹的产生。这种淬火方法尤其适用于壁厚相差较大的工件。 8.4.2其他淬火工艺 8. 4. 2. 1亚临界温度淬火(亚温淬火或临界区淬火) 亚共析钢制工件在Ac1~Ac3温度区间奥氏体化后淬火冷却,获得马氏体和铁素体组织的淬火,称为亚温淬火。 如前所述,亚共析钢的正常淬火工艺是加热到Ac3+(30~50℃)的完全淬火。但是,近来的大量研究工作证明,如果在正常的淬火与回火之间进行一次(或数次)加热温度在Ac1~Ac3。之间的亚临界温度淬火,则能进一步提高钢的韧性,降低其韧脆转变温度以及减低高温回火脆性,因而是一种很有效的韧化措施。亚温淬火的这种效果已在低碳锰钢(0.09%~0.21%, 1.1%~6.70%Mn)、中碳多元合金钢(如 35CrMnSi、40CrMnSiTiV)等钢种上得到证实。 至于应在Ac1与Ac3之间选择多高的温度,尚无统一的见解。为了保证足够的强度并使残余铁素体均匀而细小,亚温淬火的温度最好选在比Ac3低不多的温度。正如已有的实验证明,过低的淬火温度(临近Ac1反而会使钢的冲击韧度降低。 亚温淬火能改善亚共析钢的韧性,减小回火脆性倾向的基本原因可能是:①获得了适量的(均匀细小)铁素体;②能引起脆化的杂质原子(P、Sb、Si等)在残余铁素体中富集,因而减少了在奥氏体晶界处偏聚的机会;③所得奥氏体的晶粒比通常完全淬火者更为细小且形态也往往有所变化。 8.4.2.2碳化物微细化淬火 过共析钢中剩余碳化物颗粒越细小,分布越均匀,钢的强韧性越好。对轴承钢来说,碳化物越细小,其接触疲劳强度越高。淬火时细化碳化物的主要途径如下。 (1)高温固溶碳化物的低温淬火要点是将钢加热到高于正常淬火的温度,使碳化物充分溶解,然后在低于Ar1的中温范围内保温或直接淬火后于450~650℃回火,析出极细碳化物相,然后再于低温(稍高于Ar1)加热淬火。 (2)调质后再低温淬火,高碳工具钢先调质可使碳化物均匀分布,而后的低温加热淬火可显著改善淬火后钢中未溶碳化物的分布状态,从而提高韧性。这种工艺已成功应用于冷冲模的热处理。 8. 4. 2. 3循环加热淬火(超细晶粒淬火) 多晶体材料的屈服强度和晶粒直径的平方根成反比,因此,如能获得非常细小的超细晶粒(通常将晶粒度高于10级者称为超细晶粒),必然会使材料的强度指标显著提高。研究表明,通过α→β→α多次循环相变,可使奥氏体晶粒逐步达到超细化。例如,45钢在815℃铅浴中反复加热淬火(4~5次,每次小于20s),可使奥氏体晶粒度由6级细化到12级以上(见图8. 13)。又如,将24CrNi9Mo钢用中频感应装置快速加热到760℃ ,然后水中淬火。这样循环5次,最后在538℃回火 1h,由于奥氏体晶粒的超细化,可使其屈服强度由960MPa增高到1215 MPa,而延伸率保持不变(18%)。 但应注意,循环相变的次数不宜过多,因为当奥氏体晶粒极为细小时很不稳定,长大倾向会迅速增大,以致反而妨碍其进一步的细化。 8. 4. 2. 4超高温淬火 如前所述,对亚共析碳钢,正常淬火温度一般选为Ac3+(30~50℃),但对含碳化物形成元素的合金结构钢和工具钢,自_1972年以来提出了淬火温度高出Ac3点300℃左右的超高温淬火法,以改善钢的韧性。据报道,对某些中碳合金结构钢采用1200~1255℃的超高温淬火处理,虽然奥氏体晶粒度从7~8级粗化为0~1级,但断裂韧性却提高70%~125%。目前国内外对于合金结构钢已试用超高温淬火来提高断裂韧性。关于此工艺能够提高材料韧性的原因,至今认识尚不一致。 8. 4. 3冷处理 工件淬火冷却到室温后,继续在一般制冷设备或低温介质中冷却的工艺,称为冷处理。在液氮或液氮蒸汽中进行的冷处理,称为深冷处理。 对Mf点在0℃以下的淬火钢进行冷处理的目的是使相当一部分残余奥氏体转变为马氏体。由于残余奥氏体量的减少以及留下未转变的少量残余奥氏体变得更稳定(经冷处理后),所以冷处理主要具有以下作用:①增加钢的硬度。例如,可用于各种工具钢和渗碳钢件以提高其耐磨性和使用寿命(见表8. 11)。②增加工件的尺寸稳定性。如用于量规、精密滚珠轴承及其他精密工件,由于基本消除了引起尺寸变化的根源(残余奥氏体),故使工件尺寸得到稳定。③利用残余奥氏体向马氏体转变而发生体积增大的规律,有时采用冷处理来挽救因尺寸缩小而将报废的产品。 一般采用的冷处理温度不低于-80℃,只在个别情况下,才需在液态氮或液态空气中冷至-190℃左右。 8. 5表面淬火 8.5.1 表面淬火的目的、分类及应用 8.5.2 淬硬层的深度及硬度梯度 8.5.3 感应加热表面淬火 8. 5. 3. 1 感应加热基本原理 8. 5. 3. 2 感应加热设备 8. 5. 3. 3 感应加热表面淬火工艺 8.5.4 其他加热表面淬火 8.5.4.1 火焰加热表面淬火 8.5.4.2 激光表面淬火 8.5.4.3 电子束表面淬火 8.5.4.4 电接触加热表面淬火 8.5.4.5 电解液加热表面淬火 8. 5表面淬火 传动轴、传动齿轮等很多零部件在扭转、弯曲等交变载荷下工作,有时表面要受摩擦,承受交变或脉动接触应力,有时还承受冲击。这些工件表面承受着比心部高的应力,要求在工作表面的有限深度范围内有高的强度、硬度和耐磨性,而其心部又有足够的塑性和韧性,以承受一定的冲击功。在这种情况下,仅用普通淬火和回火工艺无法达到目的,但采用表面淬火可以达到要求。 8. 5. 1表面淬火的目的、分类及应用 仅对工件表层进行淬火的工艺,称为表面淬火。 表面淬火的目的是在工件表面一定深度范围内获得马氏体组织,而其心部仍保持着表面淬火前调质或正火的组织状态以使工件表面层硬而耐磨,心部又保留足够的塑性和韧性。 表面淬火常以供给表面能量的形式不同而命名及分类。目前表面淬火可以分成以下几类:感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火、激光加热表面淬火和电子束加热表面淬火。 以上表面淬火方法各有特点和局限性,故均在一定条件下获得应用,其中应用最普遍的是感应加热表面淬火及火焰淬火。激光淬火和电子束淬火属于高能束加热淬火,由于有一些其他表面淬火所没有的特点而得到迅速发展。 表面淬火广泛应用于中碳调质钢或球墨铸铁制的零部件。因为中碳调质钢经过预先调质或正火处理后,再进行表面淬火,既可以保持心部有较高的综合机械性能,又可使表面具有较高的硬度和耐磨性。例如机床主轴、齿轮、柴油机曲轴、凸轮轴等均可进行表面淬火。基体相当于中碳钢成分的珠光体铁素体基的灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等原则上均可进行表面淬火,而以球墨铸铁的工艺性能为最好,且又可获得较高的综合机械性能,所以应用最广。 高碳钢表面淬火后,尽管表面硬度和耐磨性得到提升,但心部的塑性及韧性较低,因此高碳钢的表面淬火主要用于承受较小冲击和交变载荷下工作的工具、量具及高冷硬轧辊。由于低碳钢表面淬火后强化效果不显著,故很少应用。 8. 5. 2淬硬层的深度及硬度梯度 确定淬硬层的深度及硬度梯度时,应使表面淬火硬化层与工件负载应力分布相匹配。 例如,有一传动轴承受扭矩,其截面上切剪应力如图8. 14直线所示,表面淬火强化后其沿截面的强度如图中曲线交于x点和z点。曲线的xyz线段位于直线下方,即此处屈服强度低于该轴负载时所产生的应力,则此处将发生屈服。尤其在y点处,应力与材料强度差值最大,可能在此处发生破坏。如果淬硬层深度增加或硬度梯度减缓,如曲线所示,此时材料各点强度均大于承载时应力值,故不会破坏。因此表面淬火淬硬层深度及硬度梯度必须与承载相匹配。 8. 5. 3感应加热表面淬火 利用感应电流通过工件所产生的热效应,使工件表面加热并进行快速冷却的淬火工艺,称为感应加热表面淬火。 8. 5. 3. 1感应加热基本原理 图8. 15为感应加热示意图。工件放在感应器中,感应器由夹持连接板接在感应加热设备的输出端。当一定频率的交流电通过感应器时,使工件被加热。 感应加热的基本原理是利用了“电磁感应”、“涡流发热”和“磁滞发热”等物理现象以及交变电在导体中的分布特征。 当感应器中流过交变电流时,在它周围就要产生相同频率的交变磁场,当时,在交变磁场作用下工件中将产生感应电动势。 感应器中的工件可以看作由无数个不同直径的金属圆环所组成的闭合回路。在感生电动势的作用下,工件内将产生与感应器频率相同而方向相反的感应电流,这就是涡流。 涡流因工件的电阻转换成热能,将工件加热,又叫涡流发热。 钢铁件是铁磁材料,具有很大的剩磁,在交变磁场中,工件的磁极方向随感应磁场方向而改变,磁畴方向迅速改变,使磁原子剧烈摩擦而发热,因而对工件也起加热作用,这就是磁滞热效应。磁滞现象所引起的热效应比涡流发热小得多,可以忽略不计。 涡流之所以能实现工件表面加热,这是由交变电流在导体中的分布特点所决定的。其特点如下。 (1)集肤效应(表面效应)当导体中通过直流电时,导体截面上各处的电流密度是相同的。但当通过交流电时,其电流在导体截面上的分布是不均匀的,导体表面的电流密度大,中心的电流密度小,电流密度自表面向中心呈指数规律衰减。这种现象被称为交流电的集肤效应,也称表面效应。交流电的频率越高,集肤效应就越显著。感应加热淬火就是利用这一特性而实现表面淬火的。 (2)邻近效应两个相邻导体通过电流时,如果电流方向相同,由于它们所产生的交变磁场的相互作用,使两导体相邻一侧的感应反电势最大,电流被驱向于导体外侧流过[见图8. 16(c)];相反,当电流方向相反时,电流被驱向于两导体相邻一侧,即内侧流过[见图8. 16(a)],而且相近距离越近,电流越大[图8. 16(b)]这种现象称为邻近效应。 由于在感应加热时,工件上的感应电流总是与感应圈中的电流方向相反,所以感应圈上的电流集中于内侧流过,而位于感应圈内被加热工件上的电流则集中于表面,这就是邻近效应与集肤效应相叠加的结果。 由图8. 16可见,在邻近效应的作用下,只有当感应圈与工件间的间隙相等时,感应电流在工件表面的分布才是均匀的。所以工件在感应加热过程中要不断地旋转,以消除或减少因间隙不等所造成的加热不均,获得均匀的加热层。 另外,由于邻近效应的作用,工件上被加热区的形状总是与感应圈的形状相似。因此在制作感应圈时,必须注意到,使其形状适合工件加热区的形状,这样才能取得较好的效果。 (3)环流效应当交变电流通过圆环状感应圈时,由于交变磁场的作用,使其外表面电流密度因自感反电动势增大而降低,而在圆环内侧表面获得最大电流密度,这种通过感应圈的电流集中在内侧表面的现象称为环流效应(见图8. 17)。由于存在环流效应,用感应圈加热工件外表面时就能提高热效率及加热速度。但用感应圈加热工件内孔时,则因为环流效应使感应器上的电流远离工件表面,导致加热效率显著降低,加热速度减慢。因此要在感应器上安装磁导率很高的导磁体,以提高加热效率。 (4)尖角效应把外形带有尖角、棱边及曲率半径较小的突出部分工件,置于感应器中加热时,即使感应器与工件之间的间隙相等,由于在工件的尖角处和突出部分通过的磁力线密,感应电流密度大,加热速度快,热量集中,从而会使这些部位产生过热,甚至烧熔,这种现象称为尖角效应。例如齿轮在进行高频淬火时,尖角部分往往容易过热而开裂。为避免尖角效应,设计时应将感应器与工件尖角和凸出部分的间隙适当增大,以减少该处磁力线的集中,使工件各处的加热速度和温度尽量均匀一致,或将工件尖角及凸出部分改为圆角或倒角,也能得到同样效果。 8. 5. 3. 2感应加热设备 感应加热设备按输出电流频率不同可分为高频、中频、工频、超音频和超高频脉冲5类。其特点和应用范围见表8. 10。需要指出的是,各种资料对电流频率的划分范围不尽相同,但大体相近。 8. 5. 3. 3感应加热表面淬火工艺 根据所用交流电的频率,感应加热表面淬火可分为高频感应表面淬火、中频感应表面淬火、工频感应表面淬火、超音频感应表面淬火和超高频脉冲加热表面淬火等。 感应淬火工艺主要包括频率和比功率的选择与确定、加热方式和加热工艺参数的选择与确定、冷却介质和冷却方法的选择与确定等。 (1)频率和比功率的选择与确定电流频率主要应根据硬化层深度的要求合理选择。电流频率f与淬硬层深度δx应满足: (8. 2) 当硬化层深度为热态电流透人深度的40%~50%时,总效率最高,符合此条件的频率 称最佳频率,可得 ( 8. 3) 根据淬硬层深度选择电流频率时,可以由热处理手册查得相关数据。圆柱形工件的最佳电流频率主要根据要求的淬硬层深度来确定(见表8. 11)。 频率确定以后,感应加热速度取决于工件被加热面积上的比功率((kW/cm2 )。比功率是指感应加热时工件单位表面积上所吸收的电功率( kW/cm2 )。在频率一定时,比功率越大,加热速度越快;当比功率一定时,频率越高,电流透入越浅,加热速度越快。 比功率的选择主要取决于频率和要求的硬化层深度。在要求淬硬层深度一定的情况下,设备频率较低的可选用较大的比功率;设备频率较高的可选用较小的比功率。表8. 12是轴类零件比功率的选择范围。 (2)加热方式和加热工艺参数的选择与确定感应淬火常用的加热方式分为同时加热法和连续加热法两种。 同时加热法是将工件上需要加热表面的整个部位置于感应器内,一次完成加热,然后直接喷水冷却或将工件迅速置于淬火槽中冷却。这种方法适用于小型零件或淬火面积较小而尺寸较大的零件,如曲轴、齿轮等。 连续加热法,即对工件需淬火部位中的一个局部先行加热,通过感应器与工件之间的相对运动,把已加热的部位连续移到冷却位置冷却,待加热的部位连续移至感应器中加热,如此连续进行,直至需硬化的全部部位淬火完毕。如果工件是较长的圆柱形,为了使加热均匀,还可使工件绕其本身轴线旋转。这种方法适用于轴类等长型工件的表面淬火,如轴、齿条、机床导轨和大型齿轮等,它的最大优点是使用较小容量的设备处理大型工件。 感应加热的温度首先应根据钢种作基本选择。由于感应加热速度快、时间短,奥氏体晶粒来不及均匀化及长大,故对一定钢种而言,一般感应淬火加热温度可比普通淬火加热温度高30~200℃。 表面淬火加热速度越快,加热温度应越高。当综合考虑表面淬火前的原始组织和加热速度的影响时,每种钢都有最佳加热规范,这可参见有关手册。 通常借控制加热时间来控制加热温度。在用同时加热法时,控制一次加热时间。在连续加热条件下,通过控制工件与感应圈相对位移速度来实现。 (3)冷却方法和冷却介质的选择与确定最常用的冷却方式是喷射冷却法和浸液冷却法。喷射冷却法即当感应加热终了时把工件置于喷射器之中,向工件喷射淬火介质进行淬火冷却。其冷却速度可以通过调节液体压力、温度及喷射时间来控制。浸液淬火法即当工件加热终了时,浸人淬火介质中进行冷却。 对细、薄工件或合金钢齿轮,为减少变形、开裂,可将感应器与工件同时放人油槽中加热,断电后冷却,这种方法称为埋油淬火法。 8. 5. 4其他加热表面淬火 8. 5. 4. 1火焰加热表面淬火 用一种火焰在一个工件表面上若干尺寸范围内加热,使其奥氏体化并淬火的工艺称为火焰表面淬火。 火焰淬火必须供给表面的热量大于自表面传给心部及散失的热量,以便达到所谓“蓄热效应”,才有可能实现表面淬火。火焰加热表面淬火具有设备简单、使用方便、成本低廉、不受工件体积大小的限制等优点。 火焰淬火可用下列混合气体作为燃料:(1)煤气和氧气;(2)天然气和氧气;(3)丙烷和氧气;(4)乙炔和氧气。最常用的为氧气和乙炔。 火焰淬火一般采用特别的喷嘴。整个喷头由喷嘴、带混合阀的手柄管以及一个紧急保险阀组成。喷嘴必须通水冷却。 火焰淬火操作有同时加热淬火、旋架淬火、摆动淬火、推进淬火等方法。被加热工件喷水淬火或浸人淬火介质中冷却淬火。火焰淬火后进行炉中回火或自回火。 加热停止与喷水冷却间隔时间越长,表面温度下降越多,加热深度加深。间隔时间一般以5~s为宜。在连续淬火或推进式加热淬火时,主要控制火焰喷嘴与喷水孔之间的距离,一般在10~15mm之间。 火焰淬火后进行炉中回火或自回火。炉中回火温度为180~220℃,保温1~2h。 8.5.4.2激光表面淬火 自20世纪70年代发明大功率CO2激光器以来,激光表面处理技术很快就得到了应用。激光表面处理应用范围甚广,例如激光表面淬火、激光冲击硬化、激光熔凝、激光合金化、激光非晶化、激光熔覆、激光镀(化学镀、电镀)、激光物理气相沉积、激光化学气相沉积、激光表面微晶处理等。 激光表面淬火是利用高能(功率密度大于103 W/cm2)激光束对金属工件表层迅速加热和随后激冷,使其表层发生固态相变而达到表面强化的一种淬火工艺。对钢铁材料而言,则是用高能激光束对工件进行扫描辐照,使工件表层迅速加热成奥氏体,在停止激光辐照后工件自激冷而发生马氏体转变,于是工件表层强化。 与常规表面淬火工艺相比,它具有如下优点:加热速度很快(X10000℃/s),可自淬火而无需别的淬火介质;基本上不改变表面粗糙度,表面光洁;变形小,工件处理后一般无需后续加工即可直接装配使用;表面硬度高,一般也无需回火;原则上可处理各种不同的金属材料;处理过程无污染,十分清洁;生产率高,且过程可控,易于实现自动化生产等。对于精加工后难以采用其他表面强化处理的形状复杂的大件,激光表面淬火不失为一种特别合适的可选方案。 用作激光淬火的设备主要是大功率CO:气体激光器或掺铰忆铝石榴石激光器。 钢经激光淬火后的硬度高于常规淬火硬度,也高于高频淬火的硬度。45钢工件高频淬火后的洛氏硬度为45~56HRC,而激光淬火后可达58~60HRC。由于激光淬火后表面硬度高,故与其他淬火相比,激光淬火工件具有较高的耐磨性。 钢经激光淬火后,由于强烈的温度变化和相变硬化,使其表层产生较高的残余压应力,故可大大提高疲劳强度。例如30CrMnSiNi2A钢,经适当的激光淬火后表层压应力可达410MPa,结果平均疲劳寿命可提高近一倍。 激光淬火是激光表面处理技术中最成熟的新工艺。由于它具有前述的一些特点和优点,自20世纪70年代最先应用于汽车零件的处理以后,便很快地在汽车、农机、矿山机械、轻纺机械和工模具等方面得到了广泛的应用。 8. 5. 4. 3电子束表面淬火 以电子束作为热源以极快速度加热工件并自冷硬化的淬火工艺,称为电子束加热表面淬火,简称电子束淬火。 电子束加热是通过电子流轰击金属表面、电子流和金属中的原子碰撞来传递能量进行加热。由于电子束在很短的时间内以密集的能量轰击表面,表面温度迅速升高,而其他部位仍保持冷态。当电子束停止轰击时,热量快速向冷基体金属传播,使加热表面自行淬火。 电子束加热淬火几乎具有和激光淬火相同的优点,但是和激光淬火相比较,也有不同之处。电子束加热效率高,消耗能量是所有表面加热中最小的。而激光加热的电效率低,成本较高,仅优于渗碳,大功率激光器维护也比较复杂。激光加热淬火可在大气中完成,而电子束系统需要有一定真空度。电子束加热工件表面不需特殊处理,而激光加热工件表面要进行黑化处理。激光具有极高的可控性能,可精确地瞄准加热部位,电子束的可控性则较激光差。由此可见,电子束加热热处理和激光热处理将成为在工业上应用中竞争的伙伴。电子束表面淬火也是一种表面淬火的新技术。与激光表面淬火相似,电子束表面淬火是用高能热源迅速加热金属工件表层和随后自激冷,使工件表层发生固态相变而达到表面强化的一种淬火工艺,只是电子束表面淬火的热源不是高能激光束而是高能电子束。 8.5.4.4电接触加热表面淬火 借一特制的可移动的电极与工件表面接触,并通以低电压大电流,借接触电阻加热工件表面而淬火的方法称为电接触加热表面淬火。图8. 18为机床导轨电接触加热表面淬火线路图。电极用硬紫铜做成滚轮,在欲淬火部位滚轮缓慢滚过,靠滚轮与工件接触电阻产生热量将工件加热。加热后可以水冷,也可以利用工件本身向未加热部位传热冷却淬火。 8.5.4.5电解液加热表面淬火 将工件欲淬硬的部位浸人电解液中,工件接阴极,电解液槽接阳极,通电后由于阴极效应而将工件表面加热,到达温度后断电,工件表面则被电解液冷却硬化,这种淬火工艺称为电解液加热表面淬火,简称电解液淬火或电解淬火。 将工件放入盛有5%~15%碳酸钠水溶液的电解槽中,工件为阴极,电解槽为阳极,极间加一定直流电压,使电解液电解,在阳极上放出氧气,阴极工件上析出氢气。包围工件的氢气膜使工件与电解液隔开,氢气膜具有很大电阻,当有很大电流通过时,将产生大量的热,达到很高的温度,工件浸人电解液部分迅速被加热,如图8. 19所示。当工件表面被加热到淬火温度时,停止送电,氢气膜立即破裂,包围工件的电解液使工件迅速冷却淬火。电压在150~300V之间调整,电流密度为3~4A/cm2。加热时间由试验确定。 电解液加热淬火工艺简单,生产率高,变形小,可纳人生产流水线,如内燃机阀杆的顶端淬火等。但对形状复杂、尺寸较大的工件不宜采用。 8. 6 淬火缺陷 8. 6. 1 淬火变形 8. 6. 2 淬火裂纹 8. 6. 2. 1 原材料缺陷 8. 6. 2. 2 锻造缺陷 8. 6. 2. 3 淬火工艺不当 8. 6. 3 其他淬火缺陷 8. 6. 3. 1 硬度不足 8. 6. 3. 2 软点 8. 6. 3. 3 过热与过烧 8. 6淬火缺陷 在淬火的加热和冷却过程中产生的变形、开裂、氧化、脱碳、过热、过烧、硬度不足等,统称为淬火缺陷。 8. 6. 1淬火变形 工件淬火会产生变形。 淬火变形主要是由于淬火时工件内部产生的内应力所造成的。根据内应力的形成原因不同,可分为热应力与组织应力,工件的变形就是这两种应力综合影响的结果。 工件加热和(或)冷却时,由于各部位出现瞬间温差而导致不同部位热胀和(或)冷缩的不一致所产生的应力,称为热应力。 急冷热应力有两个特点:①使工件表面产生压应力,心部产生拉应力;②大型轴类工件 心部的轴向拉应力特别大。 热应力引起工件变形的特点是和物体内部受到高的流体静压力作用的结果相似,它使平面变为凸面,直角变为钝角,长的方向变短,短的方向增长。一句话,使工件趋向球形。 工件加热或冷却时,因各部位间出现瞬间温差使不同部位组织转变不同步而产生的内应力,称为组织应力。工件淬火时产生的组织应力,又称为淬火应力。 组织应力的两个特点是:①工件表面受拉应力,心部受压应力;②靠近表面层,切向拉应力大于轴向拉应力。 组织应力引起工件变形的特点与热应力相反,好比物体内部被抽成真空(负压),结果使平面变凹,直角变锐,长的方向变长,短的方向缩短。一句话,使尖角趋向突出。 一般工件在淬火冷却过程中,在组织转变发生以前只有热应力产生,到Ms点以下则热应力与组织应力同时发生(以后者为主),故其综合分布比上述更为复杂。如果再考虑到原材料化学成分和冶金质量的差异,工件结构、尺寸和形状的不同,冷却速度的差别等因素的影响,则残余应力及其分布的实际情况远比上述复杂得多。因此,在解决实际问题时,要对各种因素进行全面分析,找出起主导作用的是热应力还是组织应力,以便判别变形的趋势或裂纹产生的可能性,并采取各种措施予以控制或防止。 8. 6. 2淬火裂纹 工件在淬火后产生的变形一般均可设法校正过来,但如产生裂纹则只得报废。下面具体讨论一下产生淬火开裂的一些重要原因及防止方法。 8. 6. 2. 1原材料缺陷 钢中的缩孔、白点以及冷加工留下的较深刀痕等都可能成为产生淬火裂纹的根源。钢中如有大块的非金属夹杂物,它会使基体金属的连续性破坏,降低钢的机械性能,在淬火时起切(缺)口应力集中的作用而引起裂纹。因此,必须严格控制原材料的质量。 8. 6. 2. 2锻造缺陷 锻造过程中已形成的裂纹,在淬火时会扩大。这种淬火前已形成的裂纹,其显微组织特征是在裂纹两侧有严重的脱碳,这是因锻造与淬火加热所造成的。同时,锻造裂纹内部往往还有大量的氧化物夹杂。这些都是分析判断锻造裂纹的依据。因此,应该采用合理的锻造工艺,在淬火前就消除此类隐患。 8. 6. 2. 3淬火工艺不当 淬火工艺不当是淬火裂纹形成的主要原因。 加热温度过高,奥氏体晶粒粗化,使淬火后马氏体针粗大,应力与脆性均显著增大,故容易产生裂纹。因此,应严格控制淬火加热温度(尤其对高速钢等淬火温度很高的高合金钢)。 对导热性差的高合金钢或形状复杂、尺寸较大的工件,如果加热速度过快或各部分的加热速度不匀,也可能产生裂纹,应采用前面介绍过的预热办法来防止。 在M,点以下冷却过快(尤其对高碳钢)很容易引起开裂。高碳钢(如T8 )工件采用水淬油冷时,如果在水中停留时间过长,马氏体会在此冷速下形成,以致很易造成开裂。5CrNiMo, 3Cr2W8等模具钢,在油中冷却时间也不允许过长,如5CrNiMo钢热锻模油冷至250℃左右,应取出并立即回火,否则也会发生开裂。 对于尺寸有突变的工件(如有尖角、凸缘等),淬火前应采取预冷或局部预冷,否则会因冷速严重不匀造成应力集中而导致开裂。对不要求硬度的孔、尖角等处,可用石棉加水玻璃或者耐火泥加水玻璃将其保护起来,然后再加热淬火。 内径小的空心圆柱体容易在内壁产生裂纹。当孔径小于20mm时,因冷却不良而开裂的倾向更大。尤其在含碳量高和淬不透的情况下,在中心孔附近的内表面,组织应力引起的切向拉应力峰值很高,致使中心孔内表面产生纵向裂纹。因此,对带内孔的圆柱形工件(包括有小螺孔或盲孔等),在整体淬火之前,应先冷却其内孔以加强内表面的压应力,防止其开裂。同理,工件的凹面及角隅等冷却较缓慢的部位,亦应在工件整体淬火前,先喷水冷却一定时间,然后再整体淬人,以力求各部位冷却尽可能均匀而防止开裂。 8. 6. 3其他淬火缺陷 8. 6. 3. 1硬度不足 所谓硬度不足,一般是指工件在较大区域内的硬度达不到技术要求。造成硬度不足的原因很多,主要可归纳为以下几点。 (1)加热温度过低或保温时间不足这往往是产生硬度不足的主要原因。由于加热温度过低或保温时间不足,使奥氏体的浓度(碳与合金元素含量)不够,或者使奥氏体的成分不均匀,甚至没有完成全部转变,组织中还残存着未转变的珠光体或未溶的铁素体等,所有这些都使淬火后得不到具有足够硬度的马氏体组织。 (2)冷却速度不够工件在淬火冷却过程中,因冷速不够而发生了部分奥氏体的分解(形成珠光体或贝氏体等),以致不能在淬火后形成足够量的马氏体。 造成冷速不够的原因可能是淬火剂选择不当、淬火剂使用时间过久以及淬火剂温度过高或混入较多杂质而使其冷却能力降低所致。 (3)操作不当例如,对采用预冷淬火的工件,预冷时间过长(又称延迟淬火);对采用双液淬火的工件,在水中停留时间过短,或出水后停留时间过长才转人油中;对采用分级淬火的工件,分级停留的时间过长,或分级温度过高(冷速小于临界淬火速度),以致奥氏体发生分解。这些都会因得不到足够数量的马氏体而降低淬火钢的硬度。 (4)表面脱碳加热时表面脱碳,也会造成表面硬度不足。 (5)淬透性不够所用材料的淬透性不够高而工件的尺寸又较大,表层得不到足够数量的马氏体组织。 (6)奥氏体成分不当对过共析钢,如果加热温度过高,奥氏体中溶有过量的碳和合金元素,会使Ms点大为降低,以致淬火后存在大量的残余奥氏体而影响硬度。 当发现工件淬火后硬度不足时,应与金相组织检验等相配合,以上述原因为线索,对整个处理过程进行具体调查与分析研究,找出其主要原因,以便有针对性地加以解决。对硬度不够的工件要进行返修,即重新淬火口在此以前,需将工件进行一次退火、正火或高温回火以消除淬火应力,防止在重新淬火时发生更大的变形或开裂。 8. 6. 3. 2软点 工件上很多小区域内的硬度不足称为软点。软点往往是工件磨损或疲劳破裂的中心,它会显著降低工件的使用寿命。因此,成品件上不允许存在软点。 造成软点的原因主要有:原始金相组织不均匀、亚共析钢淬火加热温度过低、渗碳件表面碳浓度不均匀、工件表面局部脱碳、工件表面局部有氧化皮或污垢、淬火剂中混入杂质、浸人淬火剂的操作方式不当等。 除了局部脱碳往往不易进行复碳处理外,其余情况在查明原因后,均可采取相应措施予以补救。 8. 6. 3. 3过热与过烧 淬火加热温度过高,或在相当高的温度下停留时间过长,都会使奥氏体晶粒粗大,淬火后得到粗针马氏体。例如,T12钢在830℃以上淬火,GCr15钢在高于950℃淬火,都会得到过热组织(粗针马氏体)。工件过热后,因其组织的粗大及淬火应力的增加,使钢的脆性增高,甚至淬火后即开裂。轻微的过热,可采用延长回火时间来补救(消除内应力),对严重的过热则需进行细化晶粒的退火,然后再重新淬火。 淬火温度太高,致使奥氏体晶界产生熔化现象,这就是过烧。一旦产生这种缺陷就无法补救,工件只得报废。 各种钢的淬透性曲线可从有关手册中查到 工件表面和心部冷却速度与淬硬层的关系 右侧钢棒的马氏体区较深,因而其淬透性较好, 左侧材料马氏体硬度较高,即其淬硬性较好。 不同成分钢的半马氏体区硬度主要决定于钢的含碳量 * * 合金能否淬火可由相图确定。如果合金在相图上有多型性转变或固溶度改变,这些合金就可以淬火。 淬火通常要快冷,以抑制扩散型相变。 从狭义上说,淬火就是把钢件加热到临界温度(Ac3或Ac1)以上,保温一定时间使之奥氏体化后,再以大于临界冷却速度的冷速冷却,从而获得马氏体或(和)贝氏体组织的热处理工艺 钢淬火的目的主要是提高钢的硬度、强度、耐磨性等,以及与各种回火工艺配合提高钢的强韧性或弹性等。 8.1.1 淬火加热温度的确定 除了上述根据临界点选择淬火温度的原则以外,在实际生产中还必须结合以下诸因素全面考虑,灵活运用,并应根据具体实验来确定。 (1)工件尺寸 对同一钢种所制的工件,如果尺寸小,则应采用较低的淬火温度;反之,大工件则应采用较高的淬火温度。因为小工件加热快,温度高可能引起棱、角处过热和增大变形,故淬火温度应取下限。大工件加热较慢,温度低容易造成加热不足及延长工时,故应适当提高淬火温度。 (2)工件形状 对形状复杂、容易变形或开裂的工件,应在保证性能要求的前提下,尽量采用较低的淬火温度。 (3)淬火介质与淬火方法 采用冷却能力很强的淬火剂时,为减小应力可适当地降低淬火温度。 (对同一种钢制的工件,水淬可比油淬时的淬火温度低10~20°C) 采用等温淬火或分级淬火时,因所用热浴的冷却能力差,故应适当提高淬火温度以保证工件淬硬 。(T10钢制工件,如果用水或盐水淬火,其淬火温度为760~780°C,而采用硝盐浴分级淬火时,常选为800~820°C ) (4)奥氏体晶粒长大倾向 对奥氏体晶粒不易长大的本质细晶粒钢,其淬火加热温度范围较宽,所以为了提高加热速度,缩短整个处理周期,可适当提高其淬火温度。 常用的盐浴成分及其正常使用温度见表8. 5。 工件在它们中的冷却过程一般分为三个阶段 2017年云南省县域经济发展分类考评进退位情况表(重点开发区和市 ....PDF 1.本站不保证该用户上传的文档完整性,不预览、不比对内容而直接下载产生的反悔问题本站不予受理。

  • 版权声明:本站文章于2019-11-14 06:51,互联网采集,如有侵权请发邮件联系我们,我们在第一时间删除。
  • 转载请注明:淬火以及淬火工艺ppt