退火、正火、淬火、回火工艺-第1部分

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由共析钢过冷奥氏体等温转变曲线得知，要得到马氏体，淬火的冷却速度就必须大于临界冷却速度。但是淬火钢在整个冷却过程中并不需要都进行快速冷却。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℃之间以及400℃以下，特别是300～200℃以下并不希望快冷。因为淬火冷却中工件截面的内外温度差会引起热应力。另外，由于钢中的比容（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，马氏体的转变将使工件的体积胀大，如冷却速度较大，工件截面上的内外温度差将增大，使马氏体转变不能同时进行而造成相变应力。冷却速度越大，热应力和相变应力越大，钢在马氏体转变过程中便容易引起变形与裂纹。
2、常用淬火介质　
工件淬火冷却时，要使其得到合理的淬火冷却速度，必须选择适当的淬火介质。目前生产中应用的冷却介质是水和油。当冷却介质为20℃的自来水，工件温度在200～300℃时，平均冷却速度为450℃/s；工件温度在340℃时，平均冷却速度为775℃/s；工件温度在500～650℃时，平均冷却速度为135℃/s。因此，水的冷却特性并不理想，在需要快冷的500～650℃温度范围内，它的冷却速度很小，而在200～300℃需要慢冷时，它的冷却速度反而很大。
水
　　水是应用最早、最广泛、最经济的淬火介质，它价廉易得、无毒、不燃烧、物理化学性能稳定、冷却能力强。通过控制水的温度、提高压力、增大流速、采用循环水、利用磁场作用等，均可以改善水的冷却特性，减少变形和开裂，获得比较理想的淬火效果。但由于这些方法需增加专门设备，且工件淬火后性能不是很稳定，所以没有能得到广泛推广应用。所以说。纯水只适合于少数含碳量不高、淬透性低且形状简单的钢件淬火之用。　　
淬火油
　　用于淬火的矿物油通常以精制程度较高的中性石蜡基油为基础油，它具有闪点高、粘度低、油烟少，抗氧化性与热稳定性较好，使用寿命长等优点，适合于作淬火油使用。淬火油只使用于淬透性好、工件壁厚不大、形状复杂、要求淬火变形小的工件。淬火油对周围环境的污染大，淬火时容易引起火灾。
影响淬火油冷却能力的主要因素是其粘度值，在常温下低粘度油比高粘度油冷却能力大，温度升高，油的流动性增加，冷却能力有所提高。适当提高淬火油的使用温度，也能使油的冷却能力提高。　

熔盐，熔碱
　　这类淬火介质的特点是在冷却过程中不发生物态变化，工件淬火主要靠对流冷却，通常在高温区域冷却速度快，在低温区域冷却速度慢，淬火性能优良，淬透力强，淬火边形小，基本无裂纹产生，但是对环境污染大，劳动条件差，耗能多，成本高，常用于形状复杂，截面尺寸变化悬殊的工件和工模具的淬火。熔盐有氯化钠，硝酸盐，亚硝酸盐等，工件在盐浴中淬火可以获得较高的硬度，而变形极小，不易开裂，通常用作等温淬火或分级淬火。其缺点是熔盐易老化，对工件有氧化及腐蚀的作用。熔碱有氢氧化钠，氢氧化钾等，它具有较大的冷却能力，工件加热时若未氧化，淬火后可获得银灰色的洁净表面，也有一定的应用。但熔碱蒸气具有腐蚀性，对皮肤有刺激作用，使用时要注意通风和采取防护措施。　

新型淬火介质及其应用
有机聚合物淬火剂
　　近年来，新型淬火介质最引人注目的　　进展是有机聚合物淬火剂的研究和应用。这类淬火介质是将有机聚合物溶解于水中，并根据需要调整溶液的浓度和温度，配制成冷却性能能满足要求的水溶液，它在高温阶段冷却速度接近于水，在低温阶段冷却速度接近于油。其优点是无毒，无烟无臭，无腐蚀，不燃烧，抗老化，使用安全可靠，且冷却性能好，冷却速度可以调节，适用范围广，工件淬硬均匀，可明显减少变形和开裂倾向，因此，能提高工件的质量，改善工作环境和劳动条件，给工厂带来节能、环保、技术和经济效益。目前有机聚合物淬火剂更在大批量、单一品种的热处理上用得较多，尤其对于水淬开裂，变形大，油淬不硬的工件，采用有机聚合物淬火剂比淬火油更经济、高效、节能。从提高工件质量、改善劳动条件、避免火灾和节能得角度考虑，有机聚合物淬火剂有逐步取代淬火油的趋势，是淬火介质的主要发展方向。
　　有机聚合物淬火剂的冷却速度受浓度，使用温度和搅拌程度3个基本参数的影响。一般来说，浓度越高，冷却速度越慢；使用温度越高，冷却速度越慢；搅拌程度越激烈，冷却速度越快。搅拌的作用很重要；1使溶液浓度均匀；2加强溶液的导热能力从而保证淬火后工件硬度高且分布均匀，减少产生淬火软点和变形，开裂的倾向。通过控制上述这些因素，可以调整有机聚合物淬火剂的冷却速度，从而达到理想的淬火效果。一般来说，夏季使用的浓度可低些，冬季使用的浓度可高些，而且要有充分的搅拌。有机聚合物淬火剂大多制成含水的溶液，在使用时可根据工件的特点和技术要求，加水稀释成不同的浓度，便可以得到具有多种淬火烈度的淬火液，以适应不同的淬火需要。　
　　不同种类的有机聚合物淬火剂具有显著不同的冷却特性和稳定性，能适合不同淬火工艺需要。目前世界上使用最稳定，应用面最广的有机聚合物淬火剂是聚烷二醇（PAG）类淬火剂。这类淬火剂具有逆溶性，可以配成比盐水慢而比较接近矿物油的不同淬火烈度的淬火液，其浓度易测易控，可减少工件的变形和开裂，避免淬火软点的产生，使用寿命长，适合于各类感应加热淬火和整体淬火。
（5）如何从淬火冷却特性选择淬火介质
选择淬火介质，应当同时兼顾到对淬火介质冷却特性、稳定性、可操作性、经济性和环保等方面的要求。在这些要求中，最重要的是淬火介质的冷却特性。本文将以推理方式入手，通过分析讨论，提出一套从冷却特性选择淬火介质的可实用的原则方法。　钢件淬火冷却，希望的效果有三：1。获得高而且均匀的表面硬度和足够的淬硬深度；2。不淬裂；3。淬火变形小。选好用好淬火介质是同时获得这三项效果的基本保证。当前，国内外多以国际标准方法（ISO9950）测定，并用冷却速度曲线来表征淬火介质的冷却特性。但是，对特定工件（即在钢种、形状大小和热处理要求一定）的情况下，如何从冷却特性上去选择合适的淬火介质？在生产现场，一个淬火槽中往往要淬多种不同钢种、形状、大小和热处理要求的工件。在这种情况下，如何选定它们共同适用的一种淬火液？一般的热处理车间，为满足所有工件的热处理要求，应当配备几种淬火液？──关于这类实际生产需要解决的问题，至今研究很少。有人＇1、2＇做过一些工作，但都提不出系统实用的原则方法。　
本文以过去工作为＇4、6＇基础，从讨论实际生产中一些工件〃油淬不硬而水淬又裂〃入手，通过推理和实例分析，提出了对特定工件按冷却速度分布选择淬火介质的方法，并进而确定了能供多种工件淬火的一种淬火液的选择原则。　
1　特定工件淬火的最低和最高冷却速度分布线　
从普通机油和自来水的冷却速度分布（如图1）可以看出，普通机油的冷却速度慢，因而不少工件在其中淬不硬；而自来水的冷却速度又太快，以致于多数钢种不能在其中淬火。在图中，自来水和普通机油之间有一个宽广的〃中间地带〃，只有普通机油和自来水的工厂，时常会遇到一些工件〃油淬不硬而水淬又裂〃的麻烦，原因就在这里。可以推知，对于一种这样的工件，如果将机油的冷却速度提高，该工件淬火硬度也会相应提高。我们假定，当机油的冷却速度提高到图2中带齿线水平时，该工件刚好可以得到要求的淬火硬度。无疑，　冷速更高，淬火硬度还将进一步提高。我们把它叫做允许的最低冷速分布线。同时，研究表明，自来水引起淬裂和变形，是自来水冷却太快，尤其是钢件冷到其过冷奥氏体发生马氏体转变的温度范围时受到的冷却太快的缘故。　

　　


于是又可以推知，如果能降低自来水的冷却速度，尤其是在工件冷到较低的温度以后的淬火冷却速度，就可以减小工件淬裂的危险。假定自来水冷却速度降到图3中带齿线所示的水平时，该类工件便不会再淬裂了，我们把这条线叫做此工件已确定条件下允许的最高冷速分布线。　



把图2和图3合在一起，可以得到该工件能同时获得前述三项淬火效果的淬火介质的冷却速度分布范围，如图4所示。图中，只要所选的淬火介质的冷却速度分布曲线能全部落入这两条曲线之间的区域内，不管是快速淬火油还是水溶性淬火液，也不管这些淬火介质的冷却速度分布有何不同，上述工件在其中淬火都可以同时获得所希望的淬硬而又不裂的效果。　
从另一角度说，有两种不同的淬火介质，它们的冷却速度分布有较大的差别。比如一种冷却速度快，快到接近允许的最高冷却速度线的水平，而另一种冷却速度慢，慢到接近图中最低冷却速度线的水平。但由于二者的冷却速度的分布都在允许的区域内，因而，二者都可以选用。或者说，对上述工件淬火冷却而言，二者能同样获得满意的淬火效果。　
事实上，淬火冷却过程在使钢淬硬的同时，还会使工件发生一定程度的淬火变形。传统的观念认为，淬火冷却越快，工件的淬火硬度越高，淬火变形也越大；淬火冷却慢，淬火态硬度不高，工件的淬火变形就越小。但是，实际的情况是大多数和比较大的淬火变形是由淬火冷却偏慢，工件淬火硬度不足引起的。只有少数和较小的淬火变形是淬火冷却偏快，淬火硬度偏高引起的。由于这样的原因，本文把淬火硬度高低和淬火变形大小结合起来加以考虑。　本文作者在《解决淬火变形问题的新方法》＇5＇一文中，把钢的顶端淬火曲线改成钢的硬度…冷速曲线，如图5所示。由钢件的淬火硬度，可以从图上确定一个冷却速度值（指能获得该淬火态硬度的效果冷却速度）。根据特定工件淬火后的开裂、变形和硬度情况，图5中把冷却速度四个区，分别为过快冷速区，适度冷速区，不足冷速区和过慢冷速区，表中列出了工件获得的冷速在这些区域内的淬火效果。　可以看出，只有在第II，即适度冷速区冷却，工件淬火后才能获得希望的淬火三效果。　
　　


图5　按淬火冷却速度大小将端淬曲线分成四个区　
分区　名称　区内淬火效果　
I区　过快冷速区　硬度高、淬裂、变形　
II区　适度冷速区　硬度高而均匀、无淬裂、变形小　
III区　不足冷速区　硬度不足且高低不均，变形大　
IV区　过慢冷速区　完全未淬硬，变形小　
接着，该文又将已发生淬火变形，开裂以及硬度不足的工件参与淬火变形部位中冷却速度的最高值和最低值所划定的范围叫做该工件淬火时的〃冷却速度带〃。根据实际工件的情况和淬火方法之不同，这种冷却速度带有宽有窄。工件上各部位获得的冷却比较均匀时，其冷却速度带就比较窄；当工件上各部位获得的冷却很不均匀时，其冷却速度带就比较宽。在工件的硬度…冷速曲线上，宽的冷却速度带容易跨越不同的冷却速度区，而窄的冷却速度带则往往落入某一冷速区之内。由于冷却速度带进入第I冷速区会发生淬裂和变形，而进入第III冷速区会硬度不足且变形严重，因此，只有使工件的冷却速度带完全落入其第II冷速区，才能获得希望的淬火三效果。根据这样的道理，该文提出的解决淬火变形的方法和措施，都是使冷却速度带伸出第II区的部分完全移入第II冷速区。　用上述分析和解决淬火变形问题的方法来认识图4中划定的区域，容易看出，淬火时，进入最低冷速分布曲线以左的区域，就会出现硬度不足并发生较大的淬火变形；而若进入最大冷速分布曲线以右的区域，又会发生淬裂。于是，可以按工件的淬火效果，把图4中两条曲线分割成三个区域，从左到右分别定为第III（即不足）冷速分布区；第II（即适度）冷速分布区以及第I（即过快）冷速分布区，如图6所示。本文把这样的图线叫作工件淬火效果…冷却速度分布图线。　
　　


图6　工件的淬火效果…冷却速度分布分区图　
分区　名称　区内淬火效果　
I区　过快冷速区　硬度高、淬裂、变形　
II区　适度冷速区　硬度高而均匀、无淬裂、变形小　
III区　不足冷速区　硬度不足且高低不均，变形大　
2　两例分析及选择冷速分布的五原则　
例一、某厂在进口的多用炉中对该厂生产的汽车齿轮进行渗碳淬火，开始选用的是美国某公司的一种分级淬火油。一年多以后，开始发现渗碳淬火态齿轮的淬火硬度有明显降低，同时淬火变形也增大。在排除其它因素的影响之后，发现所用的分级淬火油的冷却速度分布与该种新油有较大区别，如图7所示。和未经使用的新油相比，使用一年多（中间做正常补充）后的旧油，蒸气膜阶段变短、最高冷速增大、且出现最高冷速的温度大有提高。如果按过去较普遍的说法，图7中的旧油是符合〃高温冷得快，低温冷得慢〃的更理想的淬火油。但在这样的旧油中淬火效果却是变形更大，硬度偏低，不如比它〃不理想〃的新油。　
用图6图线所示的方法来分析该厂出现的问题，又可以画出图8所示的图线：旧油在中低温阶段冷速低于新油，以至在这一阶段使其冷却速度曲线进入了第III（即不足）冷速区，所以淬火硬度偏低。北京华立精细化工公司对该厂旧油进行了改性添加，使该厂旧油的冷却速度分布的中低温阶段冷速提高，达到稍高于原用油新油的水平。生产应用表明，在经过这样改性的旧油中淬火后，齿轮的淬火硬度明显提高，变形量也小于或等于原用新油。　


例二、