钢的淬火工艺和方法

2019-07-0207:30:47钢的淬火工艺和方法已关闭评论

淬火是将钢加热到A c3或A c1以上,保温一定时间使其奥氏化,再以大于临界冷却速度进行快速冷却,从而发生马氏体转变的热处理工艺。淬火的目的主要是为了获得马氏体,淬火后再经回火可提高钢的硬度和耐磨性。它是强化钢材最重要的热处理方法。

(1)淬火工艺

1)淬火加热温度

碳钢的淬火加热温度选择范围如图1.4.17所示。

对于亚共析碳钢,淬火温度一般选择A c3+ 30~50℃,淬火后可获得均匀细小的马氏体组织。如果加热温度过低(≤A3),在淬火组织中将出现铁素体,这样会造成淬火硬度不足和不均匀;若加热温度过高则获得粗大马氏体,同时会引起较严重的淬火变形。

图1.4.17 碳钢的淬火加热温度范围

对于共析钢和过共析碳钢,适宜的淬火温度为A c1+ 30~50℃,淬火后的组织为细小均匀的马氏体和粒状二次渗碳体的混合组织。有二次渗碳体颗粒的存在,会明显提高钢的耐磨性。如果加热温度超过A cm,不仅会得到粗片状马氏体组织,脆性极大,而且会因奥氏体含碳量过高,而使淬火钢中残余奥氏体量增多,钢的硬度和耐磨性降低。

2)淬火冷却介质

淬火要求得到马氏体,淬火的冷却速度就必须大于临界冷却速度,而快冷过程中不可避免地产生内应力,往往会引起钢件的变形和开裂。内应力来自两个方面:一方面因为在淬火冷却中工件截面的内外温度不同,这种温度差异会引起热应力;另一方面钢中不同组织的比容(单位质量物质的体积)不同,其中马氏体的比容最大,奥氏体的比容最小,因此马氏体转变将使工件的体积胀大,如果冷却速度较大,由于工件截面上的内外温差增大,使马氏体转变不能同时进行而造成组织应力。冷却速度越大,热应力和组织应力越大,钢在马氏体转变过程中便越容易引起变形与开裂。

在淬火过程中总是希望既能够得到马氏体,又不产生淬火缺陷。要达到这种效果应从两方面着手,其一是选择较理想的淬火介质,其二是改进淬火的冷却方法。

根据碳钢的奥氏体等温C曲线可知,要获得马氏体组织,并不需要在整个冷却过程中都进行快速冷却,关键是在过冷奥氏体最不稳定的C曲线鼻尖附近,即在650~400℃的温度范围内要快速冷却。而从淬火温度到650℃之上以及400℃以下,特别是M s以下300~200℃的温度范围内并不希望快冷。根据上述要求,冷却介质对钢的理想淬火冷却速度应如图1.4.18所示。但至今还没有找到一种十分理想的淬火冷却介质以符合这一要求。

图1.4.18 碳钢的理想淬火冷却曲线

目前生产中应用较广的冷却介质是油和水。水在650~400℃范围内冷却速度很大,这对奥氏体稳定性较小的碳钢来说是非常有利的。但在300~200℃范围内,水的冷速仍然很大,产生较大的组织应力,易使工件产生变形和开裂。水中加入少量的盐,只能增加它在650~400℃范围内的冷却能力,而基本上不改变它在300~200℃时的冷却速度。

淬火用油一般为矿物油(如机油、变压器油、柴油等)。油在300~200℃范围内冷却速度远小于水,这对减少淬火工件的变形与开裂是很有利的,但它在650~400℃范围内冷却速度也比水小得多,故不能用于碳钢,而只能用于过冷奥氏体稳定性较大的合金钢的淬火。

另一类淬火介质为各种低温盐浴、碱浴及金属浴等。这类淬火介质的沸点都高于工件的淬火温度,在淬火过程中介质不会气化沸腾,只在工件与介质的界面上,以辐射、传导和对流的方式进行热交换,使工件温度逐渐降低。

各类介质的使用温度及适用范围见表1.4.1。

表1.4.1 各类介质的使用温度及适用范围

(2)淬火方法

1)单液淬火法

将加热奥氏体化后的工件放入一种淬火冷却介质中一直冷却到室温的淬火,称为单液淬火法。例如碳钢在水中淬火,合金钢在油中淬火。这种淬火方法操作简单,易实现机械化与自动化,适用于形状简单的工件。

2)双液淬火法

对于形状复杂的工件,为了防止在低温范围内马氏体转变时发生开裂,可先在水中冷到接近M s点时,立即取出放入油中冷却,称为双液淬火法,也常称为水淬油冷。如果能恰当地控制好在水中的时间,可以有效地防止淬火裂纹,但这要求有较高的操作技术。

3)分级淬火法

分级淬火是把加热好的工件放入温度稍高于M s点的盐浴或碱浴中,保持一段时间,使工件内外温度均匀化,然后取出在空气中冷却,使之发生马氏体转变。这种淬火方法可大大减少热应力和组织应力,明显地减少变形和开裂,但由于盐浴或碱浴的冷却能力小,故此法只适用于截面尺寸比较小(直径或厚度小于10 mm)的工件。

分级淬火和等温淬火法常用的碱浴、硝盐浴的成分、熔点及其使用温度见表1.4.2。

表1.4.2 常用碱浴、硝盐浴的成分、熔点及使用温度

4)等温淬火法

等温淬火的操作方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。

等温淬火法常用来处理形状复杂、尺寸要求精确,并且要求有较高强韧性的工具、模具和弹簧等。

5)局部淬火法

有些工件按其工作条件,如果只是局部要求高硬度,可对工件整体加热后将需要脆硬部分置于淬火介质中冷却。为了避免工件其他部分产生变形和开裂,也可将工件需要脆硬部分加热,然后将此部分放在淬火介质中冷却。

6)冷处理

冷处理是把淬火冷却到室温的钢继续冷却到零度以下(如- 70~- 80℃)的处理工艺。冷处理适用于M f温度位于0℃以下的高碳钢和合金钢,冷处理可以使过冷奥氏体向马氏体的转变更加完全,减少残余奥氏体的含量,提高钢的硬度和耐磨性,并使尺寸稳定。冷处理的实质是淬火钢在零度以下的淬火。冷处理后必须进行低温回火,以消除所形成的应力及稳定新形成的马氏体组织。精密量具、滚动轴承等都应进行冷处理。

冷处理时获得低温的办法是采用干冰(固态CO2)和酒精的混合剂或冷却机冷却。

图1.4.19 断面上马氏体量分布曲线

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