一、淬火(quenching)
將鋼從高溫奧氏體區快速冷卻﹐使過冷的奧氏體產生非擴散性轉變產物──馬氏體的金屬熱處理工藝。
淬火是使鋼強化的基本手段之一﹐將鋼淬火成馬氏體﹐隨後回火以提高韌性﹐是使鋼獲得高綜合機械性能的傳統方法。為了充分發掘鋼的強度﹐必須首先使鋼完全轉變成馬氏體﹐即必須以足夠快的速率冷卻﹐避免奧氏體在淬火過程中分解成鐵素體﹑珠光體或貝氏體一類組織﹐這一速率稱為臨界冷卻速率﹐一般也稱作臨界冷卻速度。有些高合金鋼如沉澱硬化型不鏽鋼(17-7PH鋼等)﹐或有色金屬如硬鋁合金(Al-Cu-Mg系合金)等﹐也都進行類似淬火的快冷處理﹐但它們的目的是為了把高溫相(分別為奧氏體和固溶體)保持到室溫﹐使其呈過飽和狀態﹐以後需另通過時效處理才能使材料硬化﹐這類淬火稱為固溶熱處理。
從工藝的角度出發﹐淬火溫度和淬火介質的選擇﹐是影響淬火效果的重要因素﹐而這些都取決於鋼和合金的性質。就鋼的性質而言﹐鋼在淬火中形成馬氏體的能力取決於鋼的臨界冷卻速度(鋼的淬透性)。鋼的淬透性則是由奧氏體的成分和其他一些因素﹐如奧氏體晶粒度﹑合金元素在奧氏體中分布的均勻程度等決定的。確定鋼的淬透性至關重要﹐它是選擇淬火工藝參數的重要依據。
淬火加熱溫度 簡稱淬火溫度﹐選擇標準應以能得到細而均勻的奧氏體晶粒為原則﹐以便於冷卻後獲得細小的馬氏體。一般亞共析鋼的淬火溫度為以上30～50﹐淬火後獲得馬氏體組織。在淬火後的組織中﹐除馬氏體外﹐將混有低硬度的鐵素體﹐降低力學性能。如加熱至以上的過高溫度﹐奧氏體晶粒粗化﹐淬火後獲得的馬氏體組織也粗大﹐脆性增加﹔且淬火變形大﹐易造成淬火開裂。過共析鋼的淬火溫度為以上30～50﹔淬火後獲得馬氏體和未溶的粒狀滲碳體組織﹐殘留奧氏體也少。如加熱至以上﹐先共析滲碳體將全部溶入奧氏體﹐使奧氏體的碳量增加﹐奧氏體晶粒長大﹐馬氏體轉變起始點和終了點降低﹔淬火後不僅馬氏體粗大﹐而且有大量殘留奧氏體。對於低合金鋼的淬火溫度﹐可根據其臨界溫度和及所含合金元素的性質﹐參照上述原則確定。
若鋼中含有強碳化物形成元素﹐淬火溫度一般應偏高些﹐以加速碳化物的溶解﹐增大奧氏體中碳和合金元素含量﹐從而提高過冷奧氏體的穩定性﹔對於含碳﹑錳較高的鋼﹐應採用較低的淬火溫度﹐以避免奧氏體晶粒粗化。淬火加熱過程中的氧化﹑脫碳直接影響淬火後工件的使用壽命﹐為此採用鹽浴加熱﹑可控氣氛加熱或真空加熱等方法。
淬火冷卻介質 淬火時鋼製件中需要得到 100％馬氏體的部位﹐其冷卻速度(冷卻速率)必須大於臨界冷卻速度﹐否則不能充分淬硬和達到要求的淬硬深度。但是冷卻速度過大在奧氏體向馬氏體轉變過程中將產生巨大的組織應力和熱應力﹐使工件變形並有開裂的危險。為了解決上述矛盾﹐鋼的合理的淬火冷卻過程通常要求在珠光體轉變區或貝氏體轉變區等奧氏體最不穩定區域要快速冷卻﹐以防止其分解﹐通過馬氏體轉變區域要較緩慢冷卻﹐以減小奧氏體轉變馬氏體時出現的應力。實際生產中可根據鋼種的特性選擇冷卻介質﹐如碳鋼的臨界冷卻速度大﹐應選用水﹑鹽水等冷卻能力較強的介質﹔合金鋼的臨界冷卻速度小﹐可採用比較緩和的介質如油等。
由表內 常用淬火介質的冷卻速度 可以看到﹐水在200～300區域的冷卻速度過大﹐易於使鋼淬裂﹔油在550～650區間的冷速過小﹐不易使淬透性小的鋼淬硬。近年來廣泛研究採用冷卻能力介於水和油之間的冷卻介質﹐使高溫區的冷卻能力接近於水﹐低溫區的冷卻能力接近於油﹐如水玻璃﹑過飽和硝酸水溶液﹑聚乙烯醇溶液等。
鋼的淬透性 淬透性是鋼的基本性質之一。它不同於淬硬性﹐後者指馬氏體的硬度值﹐主要決定於鋼中含碳量。淬透性的大小是用理想臨界直徑作為指標來衡量的﹐它是鋼棒在冷卻烈度(見後文)為∞的介質中冷卻時﹐心部形成50％馬氏體時的直徑。在其他淬火介質(如水﹑油等)中冷卻時﹐所得到的臨界直徑均較為小。其中50％馬氏體轉變量是為了便於測量而人為選定的﹐可通過金相檢驗和硬度測量確定。 馬氏體含量不同時碳含量對淬火硬度的影響 中的曲線表示硬化層中含有不同百分數的馬氏體時的硬度值和含碳量的關係。一定尺寸的圓棒淬火時﹐表面和心部的冷卻速度不同。很明顯﹐淬透層的深度取決於臨界冷卻速度的大小﹐因而可通過加入合金元素來降低鋼的臨界冷卻速度﹐使鋼的淬透層深度增加。最常用的確定鋼的淬透性方法是頂端淬火試驗。
頂端淬火試驗 或稱Jominy試驗﹐是一種測定淬透性的簡便方法﹐在許多國家已標準化。利用頂端淬火法測定淬透性曲線 是用標準試樣經適當奧氏體化後進行頂端淬火的示意圖。頂端淬火時冷卻速度由淬火端沿試棒逐漸減小﹐組織和硬度隨之相應地變化﹐由此得到的硬度變化曲線, 稱為淬透性曲線或Jominy曲線。嚴格地說﹐這種曲線只對某一爐次的鋼有效﹔對於某一定鋼種來說﹐由於化學成分的差異(成分波動及偏析)﹑預先熱處理工藝的差異(顯微組織上的差異)﹐其淬透性曲線可在相當大的範圍內波動﹐形成一個淬透性帶(Jominy帶)。工業用鋼的淬透性曲線幾乎都已測定﹐並彙集成冊供查閱參考。根據Jominy試驗結果﹐鋼的淬透性大小可通過以下途徑確定﹕
直接用試棒頂端至半馬氏體區的距離。
用臨界直徑表示 臨界直徑指鋼在一定冷卻介質(如油或水)中淬火時能淬透(中心形成50％馬氏體)的最大直徑﹐生產中常用以表示淬透性的大小﹐不同冷卻介質下的臨界直徑(中心形成50％馬氏體) 為其示意圖。可以從不同直徑的鋼棒由試驗得到﹐稱格羅斯曼(Grossmann)法﹐也可在用頂端淬火試驗得出後﹐利用由淬透性曲線換算為鋼棒截面上淬透層深度的曲線 查出的某種介質中淬火時的臨界直徑。
用理想臨界直徑表示 臨界直徑雖然可以在規定介質條件下對鋼的淬透性進行定量比較﹐但仍缺乏普遍意義﹐因為當淬火介質改變時﹐雖然鋼的淬透性並不改變﹐但工件的淬透直徑卻發生變化。為了定量地表示冷卻介質的冷卻能力而引入了冷卻烈度﹐靜止水的烈度規定為1﹐以作為和其他淬火介質比較的標準﹔理想淬火介質(淬火時使熱的試棒表面立即冷到介質溫度)的值為無窮大﹔一些常用實際淬火介質的值分別為0.02～5不等。這樣﹐鋼的淬透性可以簡便地用理想臨界直徑加以表示和進行比較。對於某一定成分的鋼﹐表示一個圓柱形棒在理想淬火條件下﹐中心形成50％馬氏體時的直徑。
奧氏體晶粒度和化學成分對淬透性的影響 奧氏體晶粒度和化學成分是影響淬透性最重要的兩個因素。鋼的淬透性隨奧氏體晶粒度增大和晶粒界面積減小而提高﹐這是因為可供鐵素體和珠光體形核的位置減少﹐延緩了這些轉變的速度。鋼中合金元素一般延緩奧氏體分解﹐使轉變曲線(TTT曲線或CCT曲線)右移﹐從而提高淬透性。為了定量估算它們的影響曾經提出一些計算方法﹐如格羅斯曼(M.A.Grossmann)和霍洛曼 (J.H.Holloman)所提出的公式﹐經莫澤爾(A.Moser)和萊格特(A.Legat)改進後得到的計算理想臨界直徑的經驗公式為﹕
=×2.21％Mn×1.40％Si×2.13％Cr×3.275％Mo×1.47％Ni
其中為基本臨界直徑﹐主要決定於奧氏體的含碳量和晶粒度﹐可由圖10 含碳量和晶粒度對基本臨界直徑的影響 查出﹔列於各元素前面的數字是該元素含量(重量)為1％時的淬透性係數﹐數值越大﹐表示對淬透性的貢獻越大。這樣的計算只能用作對淬透性的粗略估算。
淬透性和淬火工藝 為了保證工件淬火時得到完全馬氏體組織﹐一般來說要求選用的鋼有足夠的淬透性。如淬透性不同的鋼棒淬火並高溫回火處理後的力學性能 所示﹐完全淬透的鋼高溫回火後﹐其力學性能沿截面是均勻的﹔如因鋼的淬透性低而使心部未能淬透﹐則心部的力學性能特別是衝擊韌性較低。對於給定成分的鋼﹐選用烈度高的淬火介質可以更快地降低鋼件表面溫度﹐增大臨界直徑。但這將增大溫度梯度﹐引起工件翹曲變形﹐甚至開裂。因此在實際淬火操作中往往需要採用較緩和的冷卻介質﹐如油或空氣流等。這就要求鋼有高的淬透性。能在空氣中冷卻形成馬氏體的鋼稱為空硬鋼﹐如一些高合金模具鋼。對中等淬透性的鋼已發展出各種間斷淬火方法。某些情況下並不要求工件完全淬透﹐如工具和有些機器部件往往希望高疲勞強度或耐磨的硬表面。表面層淬成馬氏體而心部不淬透使表面層中產生壓應力﹐有利於防止疲勞裂紋的形成和阻止在表面所形成的疲勞源的擴展。
陽極處理 硬質皮膜處理