零读杂谈(热处理十一)
关于淬火可能内容会较多,如果一篇写不完,会分成两篇。还请见谅。读书:《金属材料及热处理》 陆大纮 许晋堃 合编
人民铁道出版社
杂谈十一
钢的淬火
淬火是将钢加热到奥氏体区保温后快速冷却的热处理。淬火的目的是得到不同类型的马氏体组织或下贝氏体组织,配合不同的回火工艺,可以获得多种多样的机械性能。淬火处理既可以作为最终热处理,也可以做为中间热处类,配合深冷、回火等工艺。另外补充一点,虽然我们写的时候是“淬”(cui)的音,但日常中人们往往读“zhan"。
关于淬火处理的加热温度选定
道理上同之前的完全、不完全退火工艺。我们之前说过,马氏体是由奥氏体直接切变得到,因此,钢种的其他组织没有完全转变为奥氏体组织,那么淬火时就无法最大限度的得到马氏体组织,这就要求加热温度要高。但如果过高,奥氏体晶粒又会长大,淬火后出现粗大马氏体组织,使整体的机械性能下降,容易断裂。因此,对于不同的钢材,这个加热温度需要一个妥善的考量。
对于亚共析钢,淬火时不能存在有铁素体,因此加热时必须加热到Ac3线以上。一般以20~30C为宜。
而对于过共析钢,由于我们希望淬火时保留少量的二次渗碳体质点。因为渗碳体的硬度更高,当其以颗粒状散布于马氏体中时,可以提高耐磨性而不过多影响韧性。另外,加热温度低,奥氏体晶粒就细小,淬火后得到的残余奥氏体也相对少。因此对于过共析钢,一般加热到Ac1以上20~30C。加热超过Acm线,则导致二次渗碳体消失,奥氏体晶粒长大,淬火后残余奥氏体增多,不但硬度反而降低,而且脆性亦有增加。
淬火剂及淬火方法
我们通过之前的钢的等温奥氏体转变TTT和连续奥氏体冷却转变CCT的学习,知道,当冷却速度高于临界冷却速度时,我们才能避开鼻尖部位不发生珠光体、贝氏体转变而直接得到马氏体。同时,在马氏体一篇里,我们也知道马氏体转变是切变转变,转变过程中会出现体积变化,且切变过程和撞晶过程会出现很大的内应力,因此既要保证冷却速度够快,又不能让零件在淬火过程中发生开裂,并且尽量减小变形量,这些旧要求我们必须选择合适的淬火剂。
根据TTT图,我们首先希望零件在650~400C之间快速冷却以避过鼻尖位置,使奥氏体布发生高温或中温转变,而在过冷到300C以下Ms点附近时,则希望冷却放缓,以避免马氏体形成过程中内应力过大发生变形或裂纹。下图为我们希望的理想冷却速度曲线。
最常用的淬火剂是水或油。也有其他溶液比如盐浴、碱浴等。水合油作为淬火剂各有利弊,均与理想淬火有差距。
水是最便宜的淬火剂,18C的水在高温区(600C 左右)具有很大的冷却速度,可以达到600C/s。而进入低温区(200C左右)冷却速度仍然很高,约270C/s,容易引起淬火变形或裂纹。因此水淬只限于形状较为简单的零件。而当水温升高时,水灾高温区的冷却能力又会降低,因此对于冷却用水需要控制温度在30C以下。当遇到大批工件淬火时,则需使用流动水保证温度。水中添加盐或碱可提高冷却能力;水中加聚醚、聚乙烯或水玻璃可得到介于水、油之间的冷却能力;但如果水中混有油或肥皂液,则会大幅降低冷却能力,应避免。
油(矿物油或者植物油)在低温区的冷却速度小,而高温区也同样略低,不易使碳钢全淬成马氏体,可用于合金钢减小变形和淬裂倾向。油粘度越高,冷却能力就越低。而当油温上升适当,粘度减小,冷却能力将增强,因此油作为冷却剂一般应在40~100C之间使用。过高易失火(各种油的闪点约在150~300C)。此外,油容易老化,使冷却能力变弱,应定期更换或处理。油中添加光亮剂,并将零件在保护气中加热,则淬火后表面光亮。油中加磺酸钠或者环烷酸钙可以提高油的冷却能力,加磷酸盐可提高油的抗氧化能力。盐浴或碱浴(如熔化的硝酸钠+硝酸钾,氢氧化钾+氢氧化钠)用于等温淬火,分级淬火使用。
下表给出常用淬火剂的冷却能力。
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