第6章钡的热处理工艺 113· 2.淬火方法 淬火方法的选择,主要以获得马氏体和减少内应力、减少工件的变形和开裂为依据。 常用的淬火方法有:单介质淬火、双介质淬火、分级淬火、等温淬火。图64所示为不同 淬火方法示意图 图64不同淬火方法示意图 l一单介质淬火1一双介质淬火3一分级淬火4一等温淬火 1)单介质淬火 工件在一种介质中冷却,如水淬、油淬。优点是操作简单,易于实现机械化,应用广 泛。缺点是在水中淬火应力大,工件容易变形开裂;在油中淬火,冷却速度小,淬透直径 小,大型工件不易淬透。 2)双介质淬火 工件先在较强冷却能力介质中冷却到300℃左右,再在一种冷却能力较弱的介质中冷 却,如:先水淬后油淬,可有效减少马氏体转变的内应力,减小工件变形开裂的倾向,可 用于形状复杂、截面不均匀的工件淬火。双液淬火的缺点是难以掌握双液转换的时刻,转 换过早容易淬不硬,转换过迟又容易淬裂。为了克服这一缺点,发展了分级淬火法。 3)分级淬火 工件在低温盐浴或碱浴炉中淬火,盐浴或碱浴的温度在M点附近,工件在这一温度停 留2min~5min,然后取出空冷,这种冷却方式叫分级淬火。分级冷却的目的,是为了使工 件内外温度较为均匀,同时进行马氏体转变,可以大大减小淬火应力,防止变形开裂。分 级温度以前都定在略高于M点,工件内外温度均匀以后进入马氏体区。现在改进为在略 低于M点的温度分级。实践表明,在M点以下分级的效果更好。例如,高碳钢模具在 l60℃的碱浴中分级淬火,既能淬硬,变形又小,所以应用很广泛。 4)等温淬火 工件在等温盐浴中淬火,盐浴温度在贝氏体区的下部(稍高于M),工件等温停留较长 时间,直到贝氏体转变结束,取出空冷。等温淬火用于中碳以上的钢,目的是为了获得下 贝氏体,以提高强度、硬度、韧性和耐磨性。低碳钢一般不采用等温淬火。 3.钢的淬透性 1)淬透性的基本概念 淬透性是钢的固有属性,它是选材和制定热处理工艺的重要依据之一。 淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。其大小用钢在一定条件下淬火所获得的淬
第 6 章 钢的热处理工艺 ·113· ·113· 2. 淬火方法 淬火方法的选择，主要以获得马氏体和减少内应力、减少工件的变形和开裂为依据。 常用的淬火方法有：单介质淬火、双介质淬火、分级淬火、等温淬火。图 6.4 所示为不同 淬火方法示意图。 图 6.4 不同淬火方法示意图 1—单介质淬火 1—双介质淬火 3—分级淬火 4—等温淬火 1) 单介质淬火 工件在一种介质中冷却，如水淬、油淬。优点是操作简单，易于实现机械化，应用广 泛。缺点是在水中淬火应力大，工件容易变形开裂；在油中淬火，冷却速度小，淬透直径 小，大型工件不易淬透。 2) 双介质淬火 工件先在较强冷却能力介质中冷却到 300℃左右，再在一种冷却能力较弱的介质中冷 却，如：先水淬后油淬，可有效减少马氏体转变的内应力，减小工件变形开裂的倾向，可 用于形状复杂、截面不均匀的工件淬火。双液淬火的缺点是难以掌握双液转换的时刻，转 换过早容易淬不硬，转换过迟又容易淬裂。为了克服这一缺点，发展了分级淬火法。 3) 分级淬火 工件在低温盐浴或碱浴炉中淬火，盐浴或碱浴的温度在 Ms点附近，工件在这一温度停 留 2min～5min，然后取出空冷，这种冷却方式叫分级淬火。分级冷却的目的，是为了使工 件内外温度较为均匀，同时进行马氏体转变，可以大大减小淬火应力，防止变形开裂。分 级温度以前都定在略高于 Ms 点，工件内外温度均匀以后进入马氏体区。现在改进为在略 低于 Ms 点的温度分级。实践表明，在 Ms 点以下分级的效果更好。例如，高碳钢模具在 160℃的碱浴中分级淬火，既能淬硬，变形又小，所以应用很广泛。 4) 等温淬火 工件在等温盐浴中淬火，盐浴温度在贝氏体区的下部(稍高于 Ms)，工件等温停留较长 时间，直到贝氏体转变结束，取出空冷。等温淬火用于中碳以上的钢，目的是为了获得下 贝氏体，以提高强度、硬度、韧性和耐磨性。低碳钢一般不采用等温淬火。 3. 钢的淬透性 1) 淬透性的基本概念 淬透性是钢的固有属性，它是选材和制定热处理工艺的重要依据之一。 淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。其大小用钢在一定条件下淬火所获得的淬
114 金属学与热处理 透层深度来表示。同样形状和尺寸的工件,用不同的钢材制造,在相同的条件下淬火,淬 透层较深的钢,其淬透性较好 淬透层的深度规定为由工件表面至半马氏体区的深度。半马氏体区的组织是由50%马 氏体和50%分解产物组成的。这样规定是因为半马氏体区的硬度变化显著,同时组织变化 明显,并且在酸蚀的断面上有明显的分界线,很容易测试 淬透性主要取决于钢的临界冷却速度,取决于过冷奥氏体的稳定性。 应当注意,钢的淬透性与淬硬性是两个不同的概念,后者是指钢淬火后形成的马氏体 组织所能达到的硬度,它主要取决于马氏体中的含碳量。 2)淬透性的测量方法 目前测定钢淬透性最常用的方法是末端淬火法,简称端淬法。此法通常用于测定优质 碳素结构钢、合金结构钢的淬透性,也可用于测定弹簧钢、轴承钢和工具钢的淬透性。我 国GB/226—1988《钢的淬透性末端淬火试验方法》规定的试样形状、尺寸及试验原理如 图65所示。试验时将φ25×10mm的标准试样加热至奥氏体状态后迅速取出置于试验装置 上,对末端喷水冷却,试样上距末端越远的部分,冷却速度越小,因此硬度值越低。试样冷 却完毕后,沿其轴线方向相对的两侧各磨去02mm~0.5mm,在此平面上从试样末端开始, 每隔1.5mm测一点硬度,绘出硬度与至末端距离的关系曲线,称为端淬曲线。由于同一种 钢号的化学成分允许在一定范围内波动,因而相关手册中给出的不是一条曲线,而是一条 带,称之为淬透性带,如图66所示。 根据钢的淬透性曲线,钢的淬透性值通常用JRC表示。其中J表示末端淬透性,d 表示至末端的距离,HRC表示在该处测得的硬度值。例如淬透性值J,即表示在淬透性 带上距末端5mm处的硬度值为40HRC,J35即表示距末端10m~15mm处的硬度 值为35HRC。 另外,在生产中也常用“临界直径”来表示钢的淬透性。它是指圆柱形试样在某种淬 火介质中淬火时,心部刚好为半马氏体组织的最大圆柱形直径,用D0表示。显然,在相同 的冷却条件下,D0越大,则钢的淬透性也越大。表6-2列出了几种常用钢在水和油中淬火 时的临界淬透直径。 在700℃时的冷却速度/CS 4216.5105.94.53.6 33610527.513.67.5503.93.2 036912151821242730333639 距末端距离/mm 图6.5端淬试验示意图 图66W=45%钢的淬透性带 114
·114· 金属学与热处理 ·114· 透层深度来表示。同样形状和尺寸的工件，用不同的钢材制造，在相同的条件下淬火，淬 透层较深的钢，其淬透性较好。 淬透层的深度规定为由工件表面至半马氏体区的深度。半马氏体区的组织是由 50%马 氏体和 50%分解产物组成的。这样规定是因为半马氏体区的硬度变化显著，同时组织变化 明显，并且在酸蚀的断面上有明显的分界线，很容易测试。 淬透性主要取决于钢的临界冷却速度，取决于过冷奥氏体的稳定性。 应当注意，钢的淬透性与淬硬性是两个不同的概念，后者是指钢淬火后形成的马氏体 组织所能达到的硬度，它主要取决于马氏体中的含碳量。 2) 淬透性的测量方法 目前测定钢淬透性最常用的方法是末端淬火法，简称端淬法。此法通常用于测定优质 碳素结构钢、合金结构钢的淬透性，也可用于测定弹簧钢、轴承钢和工具钢的淬透性。我 国 GB/T 226—1988《钢的淬透性末端淬火试验方法》规定的试样形状、尺寸及试验原理如 图 6.5 所示。试验时将φ 25×100mm 的标准试样加热至奥氏体状态后迅速取出置于试验装置 上，对末端喷水冷却，试样上距末端越远的部分，冷却速度越小，因此硬度值越低。试样冷 却完毕后，沿其轴线方向相对的两侧各磨去 0.2mm～0.5mm，在此平面上从试样末端开始， 每隔 1.5mm 测一点硬度，绘出硬度与至末端距离的关系曲线，称为端淬曲线。由于同一种 钢号的化学成分允许在一定范围内波动，因而相关手册中给出的不是一条曲线，而是一条 带，称之为淬透性带，如图 6.6 所示。 根据钢的淬透性曲线，钢的淬透性值通常用 HRC J d 表示。其中 J 表示末端淬透性，d 表示至末端的距离，HRC 表示在该处测得的硬度值。例如淬透性值 40 5 J ，即表示在淬透性 带上距末端 5mm 处的硬度值为 40HRC， 35 10 15 J ∼ 即表示距末端 10mm～15mm 处的硬度 值为 35HRC。 另外，在生产中也常用“临界直径”来表示钢的淬透性。它是指圆柱形试样在某种淬 火介质中淬火时，心部刚好为半马氏体组织的最大圆柱形直径，用 D0表示。显然，在相同 的冷却条件下，D0 越大，则钢的淬透性也越大。表 6-2 列出了几种常用钢在水和油中淬火 时的临界淬透直径。 图 6.5 端淬试验示意图 图 6.6 wc=45%钢的淬透性带
第6章钡的热处理工艺 115· 表6-2几种常用钢在水和油中淬火时的临界淬透直径 D油/mm 心部组织 10~18 0%M 9~15 18~38 20~36 12~24 50%M I cRmNtI 32~50 0%M T8~T12 15~18 95%M 3)淬透性的实际意义 钢的淬透性在生产中有重要的实际意义,工件在整体淬火条件下,从表面至中心是否 淬透,对其机械性能有重要影响。在拉伸、压缩、弯曲或剪切应力的作用下,工件尺寸较 大的零件,例如齿轮类、轴类零件,希望整个截面都能被淬透,从而保证零件在整个截面 上的机械性能均匀一致,此时应选用淬透性较高的钢种制造。如果钢的淬透性低,工件整 个截面不能被全部淬透,则从表面到心部的组织不一样,力学性能也不相同。此时,心部 的机械性能,特别是冲击韧性很低。另外,对于形状复杂、要求淬火变形小的工件(如精密 模具、量具等),如果选用淬透性较高的钢,则可以在较缓和的介质中淬火,减小淬火应力 因而工件变形较小。但是并非任何工件都要求选用淬透性高的钢,在某些情况下反而希望 钢的淬透性低些。例如承受弯曲或扭转载荷的轴类零件,其外层承受应力最大,轴心部分 应力较小,因此选用淬透性较小的钢,淬透工件半径的1/3~1/2即可。表面淬火用钢也应 采用低淬透性钢,淬火时只是表层得到马氏体。焊接用钢也希望淬透性小,目的是为了避 免焊缝及热影响区在焊后冷却过程中淬火得到马氏体,从而防止焊接构件的变形和开裂。 般情况下,淬透性好的钢要比淬透性差的钢的价格高 4)影响淬透性的因素 ①含碳量:在碳钢中,共析钢的临界冷速最小,淬透性最好;亚共析钢随含碳量增加, 临界冷速减小,淬透性提髙:过共析钢随含碳量増加,临界冷速増加,淬透性降低 ②合金元素:除钴以外,其余合金元素溶于奥氏体后,降低临界冷却速度,使过冷奥 氏体的转变曲线右移,提高钢的淬透性,因此合金钢的淬透性往往比碳钢要好。 ③奥氏体化温度:提高钢材的奥氏体化温度,将使奥氏体成分均匀、晶粒长大,因而 可减少珠光体的形核率,降低钢的临界冷却速度,增加其淬透性。但奥氏体晶粒长大,生 成的马氏体也会比较粗大,会降低钢材常温下的力学性能 ④钢中未溶第二相:钢加热奥氏体化时,未溶入奥氏体中的碳化物、氮化物及其他非 金属夹杂物,会成为奥氏体分解的非自发形核核心,使临界冷却速度增大,降低淬透性。 淬透性好的钢材经调质处理后,整个截面都是回火索氏体,力学性能均匀,强度高, 韧性好;而淬透性差的钢表层为回火索氏体,心部为片状索氏体+铁素体,心部强韧性差 因此,钢材的淬透性是影响工件选材和热处理强化效果的重要因素。图67为淬透性不同 的钢调质后力学性能的比较
第 6 章 钢的热处理工艺 ·115· ·115· 表 6-2 几种常用钢在水和油中淬火时的临界淬透直径 钢 号 D0水/mm D0油/mm 心部组织 45 10～18 6～8 50%M 60 20～25 9～15 50%M 40Mn 18～38 10～18 50%M 40Cr 20～36 12～24 50%M 18CrMnTi 32～50 12～20 50%M T8~T12 15～18 5～7 95%M 3) 淬透性的实际意义 钢的淬透性在生产中有重要的实际意义，工件在整体淬火条件下，从表面至中心是否 淬透，对其机械性能有重要影响。在拉伸、压缩、弯曲或剪切应力的作用下，工件尺寸较 大的零件，例如齿轮类、轴类零件，希望整个截面都能被淬透，从而保证零件在整个截面 上的机械性能均匀一致，此时应选用淬透性较高的钢种制造。如果钢的淬透性低，工件整 个截面不能被全部淬透，则从表面到心部的组织不一样，力学性能也不相同。此时，心部 的机械性能，特别是冲击韧性很低。另外，对于形状复杂、要求淬火变形小的工件(如精密 模具、量具等)，如果选用淬透性较高的钢，则可以在较缓和的介质中淬火，减小淬火应力， 因而工件变形较小。但是并非任何工件都要求选用淬透性高的钢，在某些情况下反而希望 钢的淬透性低些。例如承受弯曲或扭转载荷的轴类零件，其外层承受应力最大，轴心部分 应力较小，因此选用淬透性较小的钢，淬透工件半径的 1/3～1/2 即可。表面淬火用钢也应 采用低淬透性钢，淬火时只是表层得到马氏体。焊接用钢也希望淬透性小，目的是为了避 免焊缝及热影响区在焊后冷却过程中淬火得到马氏体，从而防止焊接构件的变形和开裂。 一般情况下，淬透性好的钢要比淬透性差的钢的价格高。 4) 影响淬透性的因素 ① 含碳量：在碳钢中，共析钢的临界冷速最小，淬透性最好；亚共析钢随含碳量增加， 临界冷速减小，淬透性提高；过共析钢随含碳量增加，临界冷速增加，淬透性降低。 ② 合金元素：除钴以外，其余合金元素溶于奥氏体后，降低临界冷却速度，使过冷奥 氏体的转变曲线右移，提高钢的淬透性，因此合金钢的淬透性往往比碳钢要好。 ③ 奥氏体化温度：提高钢材的奥氏体化温度，将使奥氏体成分均匀、晶粒长大，因而 可减少珠光体的形核率，降低钢的临界冷却速度，增加其淬透性。但奥氏体晶粒长大，生 成的马氏体也会比较粗大，会降低钢材常温下的力学性能。 ④ 钢中未溶第二相：钢加热奥氏体化时，未溶入奥氏体中的碳化物、氮化物及其他非 金属夹杂物，会成为奥氏体分解的非自发形核核心，使临界冷却速度增大，降低淬透性。 淬透性好的钢材经调质处理后，整个截面都是回火索氏体，力学性能均匀，强度高， 韧性好；而淬透性差的钢表层为回火索氏体，心部为片状索氏体+铁素体，心部强韧性差。 因此，钢材的淬透性是影响工件选材和热处理强化效果的重要因素。图 6.7 为淬透性不同 的钢调质后力学性能的比较