熱處理第7章 鋼的淬火-評(píng)估

第7章鋼的淬火

第7章鋼的淬火7.1淬火方法及工藝參數(shù)的確定7.2淬火介質(zhì)7.3鋼的淬透性7.4淬火缺陷及其防止23淬火定義：將鋼加熱到臨界點(diǎn)AC3或AC1以上保溫一定時(shí)間使之奧氏體化后，以大于淬火臨界冷卻速度急劇冷卻獲得馬氏體或等溫冷卻獲得下貝氏體組織的熱處理工藝。V臨圖7.1在C曲線上表示淬火臨界冷速上一頁(yè)下一頁(yè)MB下7.1淬火方法及工藝參數(shù)的確定47.1.1淬火方法1.單介質(zhì)淬火2.雙介質(zhì)淬火3.分級(jí)淬火4.貝氏體等溫淬火時(shí)間溫度A1MsK02004006007001234圖7.2不同淬火方法示意圖上一頁(yè)下一頁(yè)

1.單介質(zhì)淬火法

特點(diǎn)：這種淬火方法簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)，易于掌握。工件表面與中心的溫差較大，易于造成較大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，引起變形和開(kāi)裂。適用于形狀簡(jiǎn)單的工件淬火。5圖7.3單介質(zhì)淬火法上一頁(yè)下一頁(yè)2.雙介質(zhì)淬火法特點(diǎn)：先快冷可避免過(guò)冷奧氏體的分解；后慢冷可使馬氏體轉(zhuǎn)變?cè)诶鋮s能力小的介質(zhì)中進(jìn)行，減少變形開(kāi)裂；必須嚴(yán)格控制工件在水中的停留時(shí)間。適用于尺寸較大的碳素鋼工件。6圖7.4雙介質(zhì)淬火法上一頁(yè)下一頁(yè)

3.分級(jí)淬火法

特點(diǎn)：分級(jí)保溫使整個(gè)工件溫度趨于均勻，熱應(yīng)力降低；表面與心部馬氏體轉(zhuǎn)變的不同時(shí)性明顯減?。缓銣赝Ａ粢鸬膴W氏體穩(wěn)定化增加殘余奧氏體量，可減少馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)引起的體積膨脹。馬氏體轉(zhuǎn)變?cè)诶鋮s能力小的介質(zhì)中進(jìn)行可減小應(yīng)力；工藝過(guò)程易于控制；適用于尺寸較小的工件，如刀具、量具和要求變形很小的精密工件。7圖7.5分級(jí)淬火法上一頁(yè)下一頁(yè)“分級(jí)”溫度在MS點(diǎn)以下的分級(jí)淬火特點(diǎn)除具有上述特點(diǎn)外，形成的部分馬氏體組織在等溫過(guò)程中發(fā)生回火轉(zhuǎn)變，使產(chǎn)生的組織應(yīng)力減小；適于較大工件的淬火。8圖7.6馬氏體等溫淬火法上一頁(yè)下一頁(yè)4.等溫淬火法

特點(diǎn)獲得較高強(qiáng)韌性的貝氏體，同時(shí)淬火變形較小。適宜于處理形狀復(fù)雜、尺寸較小的精密工具和重要的機(jī)械零件，如模具、刀具、齒輪等。

9圖7.7貝氏體等溫淬火法大尺寸截面的零件在冷卻能力較低的介質(zhì)中等溫時(shí)，其心部由于溫度較高容易發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變。10亞共析鋼：AC3+30~50℃淬火組織：M＋Ar共、過(guò)共析鋼：AC1+30~50℃淬火組織：(共)

M＋Ar(過(guò))M＋Fe3C球狀＋Ar7.1.2淬火工藝參數(shù)的確定圖7.8淬火溫度示意圖

1.加熱溫度Ac1+30～50℃Ac3+30～50℃含碳量溫度AA+Fe3C0.77%上一頁(yè)下一頁(yè)7.1.2.1普通淬火加熱溫度低于ACCM的有利影響由于淬火組織中有粒狀滲碳體的存在，不但不降低鋼的硬度，反而可提高耐磨性；加熱溫度低于Accm使奧氏體的含碳量低，有利于減少淬火變形和開(kāi)裂傾向。加熱溫度較低，奧氏體晶粒很細(xì)，淬火后可得到細(xì)小的(隱針)馬氏體組織，使鋼具有較好的機(jī)械性能。11上一頁(yè)下一頁(yè)加熱溫度高于ACCM時(shí)的不利影響：Fe3C全部溶入A→A中碳含量↑→Ms點(diǎn)↓→Ar量↑→硬度↓→耐磨性↓A晶粒粗化→粗大M→形成顯微裂紋的傾向↑加熱溫度高，鋼的氧化、脫碳加劇，同時(shí)還縮短爐子的使用壽命。12上一頁(yè)下一頁(yè)

2.淬火保溫時(shí)間

指工件裝爐后，從爐溫回升到淬火溫度時(shí)起算，直到出爐為止所需要的時(shí)間。保溫時(shí)間包括工件透熱時(shí)間和組織轉(zhuǎn)變所需的時(shí)間。

影響保溫時(shí)間的因素

（1）鋼的成分碳及合金元素含量↑→導(dǎo)熱性↓→保溫時(shí)間↑合金元素比碳擴(kuò)散慢，延緩鋼的組織轉(zhuǎn)變。故高碳鋼比低碳鋼、合金鋼比碳素鋼、高合金鋼比低合金鋼的保溫時(shí)間要長(zhǎng)些。13上一頁(yè)下一頁(yè)

（2）工件的形狀與尺寸相同材料與形狀的工件，當(dāng)加熱條件相同時(shí)，保溫時(shí)間將隨其尺寸增大而延長(zhǎng)。形狀復(fù)雜或尺寸較大的碳素工具鋼及合金工具鋼工件，需在淬火加熱前采取預(yù)熱，縮短工件在高溫的保溫時(shí)間。14

（3）加熱介質(zhì)在一般生產(chǎn)中，以鉛浴爐加熱速度為最快，鹽浴爐次之，空氣電阻爐為最慢。當(dāng)其它條件相同時(shí)，三者的保溫時(shí)間(t)之比大致為1/3：1/2：1。

上一頁(yè)下一頁(yè)（4）裝爐情況

工件在爐中的放置及排列情況對(duì)其受熱條件有明顯影響，故裝爐情況不同，其保溫時(shí)間也不同。（5）爐溫

提高爐溫是縮短加熱保溫時(shí)間的有效措施之一。該法是將工件放入比正常加熱溫度高出約100℃左右的爐內(nèi)進(jìn)行加熱；為防止過(guò)熱，須嚴(yán)格控制加熱保溫時(shí)間。保溫時(shí)間為加熱系數(shù)與有效厚度的乘積。15上一頁(yè)下一頁(yè)

3.冷卻方式基本原則

首先，應(yīng)保證工件淬入時(shí)得到最均勻的冷卻；其次，應(yīng)以最小阻力方向淬入；此外，考慮工件的重心穩(wěn)定。16操作方法

①厚度不均的工件，厚的部分先淬入；②細(xì)長(zhǎng)工件一般垂直淬入；③具有閉腔或盲孔的工件應(yīng)使腔口或孔向上淬入；④截面不對(duì)稱的工件應(yīng)以一定角度斜著淬入。錄像上一頁(yè)亞溫淬火對(duì)于低、中碳合金鋼，淬火溫度:Ac3～Ac1之間。研究表明，在這一溫度區(qū)間淬火，可降低鋼的脆性轉(zhuǎn)化溫度，減小回火脆性及氫脆敏感性，甚至使鋼的硬度、強(qiáng)度及沖擊韌性比正常淬火還略有提高。亞溫淬火能夠改善亞共析鋼的韌性，減小回火脆性的原因可能是：

1)獲得了塑性較高的殘余鐵素體；

2)使產(chǎn)生脆化的有害雜質(zhì)原子(如P、Si、Sb等)在殘余鐵素體中富集，因而減少了在奧氏體晶界處偏聚的機(jī)會(huì)；

3)所得奧氏體的晶粒比通常完全淬火的奧氏體晶粒更為細(xì)小。17上一頁(yè)下一頁(yè)7.1.2.2等溫淬火工藝

目的：獲得強(qiáng)韌性高的下貝氏體1.淬火加熱溫度加熱溫度一般比普通淬火時(shí)要高30～80℃。

2.等溫溫度與等溫時(shí)間由鋼的機(jī)械性能要求確定。如要求硬度、強(qiáng)度愈高，則等溫溫度愈低。等溫時(shí)間根據(jù)鋼的C曲線估算。18上一頁(yè)下一頁(yè)3.等溫介質(zhì)熔融硝鹽或堿。對(duì)工件的最大厚度有一定限制，超過(guò)這一限制，其性能將達(dá)不到技術(shù)要求。7.1.3冷處理

將淬火后已冷到室溫的工件繼續(xù)深冷至零下溫度，使淬火后保留下來(lái)的殘余奧氏體繼續(xù)向馬氏體轉(zhuǎn)變，以減少或消除殘余奧氏體。通常冷處理達(dá)到-60～-80℃即可滿足需要。19上一頁(yè)下一頁(yè)冷處理的目的：提高其硬度和耐磨性；保證其尺寸的穩(wěn)定性；冷處理應(yīng)在淬火后及時(shí)進(jìn)行，否則會(huì)降低冷處理的效果。

適用范圍：

高碳合金工具鋼；滲碳或碳氮共滲的結(jié)構(gòu)鋼零件。20上一頁(yè)下一頁(yè)？21圖7.9鋼的理想淬火冷卻速度7.2淬火介質(zhì)時(shí)間溫度A1MsKvMf上一頁(yè)下一頁(yè)22例如：水、油、鹽水、堿水等。7.2.1淬火介質(zhì)的分類按物理特性分為兩大類1.淬火時(shí)發(fā)生物態(tài)變化

淬火介質(zhì)的沸點(diǎn)大都低于工件的淬火加熱溫度，所以當(dāng)赤熱工件淬入其中后，它便會(huì)汽化沸騰，使工件劇烈散熱。此外，在工件與介質(zhì)的界面上還可以輻射、傳導(dǎo)、對(duì)流等方式進(jìn)行熱交換。上一頁(yè)下一頁(yè)

淬火介質(zhì)的沸點(diǎn)高于工件的淬火加熱溫度，所以當(dāng)赤熱工件淬入其中時(shí)，它不會(huì)汽化沸騰，而只在工件與介質(zhì)的界面上，以輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流的方式進(jìn)行熱交換。23

2.淬火時(shí)不發(fā)生物態(tài)變化例如：熔鹽、熔堿、熔融金屬等。上一頁(yè)下一頁(yè)對(duì)淬火介質(zhì)的要求：無(wú)毒、無(wú)味、經(jīng)濟(jì)、安全可靠；不易腐蝕工件，淬火后易清洗；成分穩(wěn)定，使用過(guò)程中不易變質(zhì)；在過(guò)冷奧氏體的不穩(wěn)定區(qū)域應(yīng)有足夠的冷卻速度，在低溫馬氏體區(qū)域冷卻速度緩慢，以保證淬火質(zhì)量；在使用時(shí)，介質(zhì)黏度應(yīng)較小，以增加對(duì)流傳熱能力和減少損耗。24上一頁(yè)下一頁(yè)1.冷卻特性淬火介質(zhì)的冷卻特性是指試樣溫度與冷卻時(shí)間或試樣溫度與冷卻速度之間的關(guān)系。冷卻特性的測(cè)定通常是采用導(dǎo)熱率很高的銀球試樣，將其加熱后迅速置入淬火介質(zhì)中，利用銀球中心的熱電偶測(cè)出其心部溫度隨冷卻時(shí)間的變化。257.2.1.1有物態(tài)變化的淬火介質(zhì)圖7-10(a)為銀球試祥及冷卻特性曲線上一頁(yè)下一頁(yè)試樣介質(zhì)熱電偶（1）蒸汽膜階段當(dāng)工件進(jìn)入介質(zhì)的一瞬間，周圍介質(zhì)立即被加熱而汽化，在工件表面形成一層蒸汽膜，將工件與液體介質(zhì)隔絕。由于蒸汽膜的導(dǎo)熱性較差，故工件的冷卻速度較慢，如圖7-10(b)中AB段。此階段，由于工件放出的熱量大于介質(zhì)從蒸氣膜中帶走的熱量，故膜的厚度不斷增加。但隨著冷卻的進(jìn)行，工件溫度不斷降低，膜的厚度及其穩(wěn)定性也逐漸變小，直至破裂而消失，這是冷卻的第一階段。26圖7-10(b)試樣溫度與冷卻時(shí)間的關(guān)系2.冷卻機(jī)理上一頁(yè)下一頁(yè)冷速緩慢冷速增大冷速減緩

（2）沸騰階段當(dāng)蒸汽膜破裂后，工件即與介質(zhì)直接接觸，介質(zhì)在工件表面激烈沸騰，通過(guò)介質(zhì)的沸騰并不斷逸出氣泡而帶走了大量熱量，使冷卻速度變快，如圖7-10(b)中BC段。沸騰階段前期冷速很大，隨工件溫度下降，其冷速逐漸減慢，此階段一直要持續(xù)到工件冷至介質(zhì)的沸點(diǎn)時(shí)為止，這是冷卻的第二階段。（3）對(duì)流階段當(dāng)工件冷至低于介質(zhì)的沸點(diǎn)時(shí)，則主要依靠對(duì)流傳熱方式進(jìn)行冷卻，這時(shí)工件的冷速甚至比蒸汽膜階段還要緩慢，如圖7-10(b)中CD段。隨著工件表面與介質(zhì)的溫差不斷減小，冷卻速度愈來(lái)愈小，這是冷卻的第三階段。27上一頁(yè)下一頁(yè)特點(diǎn)：

28上一頁(yè)下一頁(yè)（1）水

3.常用淬火介質(zhì)水廉價(jià)易得，無(wú)污染；圖7-10(c)冷卻速度與試樣溫度的關(guān)系降溫由溫度—時(shí)間曲線換算求得冷卻速度—溫度關(guān)系曲線。冷卻能力對(duì)水溫的變化敏感，水溫升高，冷卻能力急劇下降，故使用溫度一般為20～40℃，最高不宜超過(guò)60℃；在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)的冷速大，易使工件嚴(yán)重變形甚至開(kāi)裂；水中混入不溶或微溶雜質(zhì)(如油、肥皂等)會(huì)顯著降低其冷卻能力，使工件淬火后易于產(chǎn)生軟點(diǎn)。29上一頁(yè)下一頁(yè)

原因--這些外來(lái)質(zhì)點(diǎn)作為形成蒸汽的核心，將加速蒸汽膜的形成并增加膜的穩(wěn)定性，所以當(dāng)水中混入這些雜質(zhì)時(shí)，工件淬火后易于產(chǎn)生軟點(diǎn)。

（2）鹽水

特點(diǎn)：普遍采用的是食鹽水溶液(10%NaCl)，可使高溫(650～550℃)區(qū)間的冷卻能力提高約為水的10倍，可避免過(guò)冷奧氏體的高溫分解；其原因是蒸汽膜因加入鹽而提早破裂。通常將蒸汽膜破裂的溫度，亦即進(jìn)入沸騰階段的溫度稱為特性溫度。鹽水的特性溫度比純水高。鹽水冷卻能力受溫度的影響較純水小，鹽水的使用溫度一般為60℃以下。在低溫(200～300℃)區(qū)間冷速仍很大。30上一頁(yè)下一頁(yè)特點(diǎn)：常用的5～15％苛性納(NaOH)水溶液在高溫區(qū)間的冷卻能力比鹽水還大，在低溫區(qū)間的冷卻能力與鹽水相近。能與已氧化的工件表面作用析出氫氣，使氧化皮易于脫落．淬火后工件呈銀灰色，表面較潔凈，一般不需清理，故又稱為光亮淬火?？列约{對(duì)工件及設(shè)備的腐蝕較嚴(yán)重，淬火時(shí)有刺激性氣體產(chǎn)生，對(duì)皮膚有腐蝕性。31上一頁(yè)下一頁(yè)(3)堿水

（4）油32上一頁(yè)下一頁(yè)淬火用油分為植物油與礦物油兩大類。植物油如豆油、芝麻油等，雖有較好的冷卻特性，但因易于老化，價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，已為礦物油所取代。主要優(yōu)點(diǎn)：油的沸點(diǎn)一般比水高150～300℃，其對(duì)流階段的開(kāi)始溫度比水高很多，由于一般在鋼的Ms點(diǎn)附近已進(jìn)入對(duì)流階段，故低溫區(qū)間的冷速遠(yuǎn)小于水，將有利于減少工件的變形與開(kāi)裂傾向。主要缺點(diǎn)：高溫區(qū)間的冷卻能力很小，僅為水的1/5～1/6。只能用于合金鋼或小尺寸碳鋼工件的淬火。此外，油經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用還會(huì)發(fā)生老化，故需定期過(guò)濾或更換新油等。提高油溫可降低粘度，增加流動(dòng)性，因而可提高其冷卻能力。油溫一般應(yīng)控制在60～80℃，最高不超過(guò)100～120℃（即油的工作溫度應(yīng)保持在閃點(diǎn)以下100℃左右，閃點(diǎn)是指油表面的油蒸汽和空氣混合時(shí)與火接觸面出現(xiàn)藍(lán)色火苗閃光的溫度，油溫到達(dá)閃點(diǎn)后，就有著火的危險(xiǎn))，以免著火。33上一頁(yè)下一頁(yè)7.2.1.2無(wú)物態(tài)變化的淬火介質(zhì)34

多用于分級(jí)淬火及等溫淬火。其傳熱方式是依靠周圍介質(zhì)的傳導(dǎo)和對(duì)流將工件的熱量帶走。

常用的硝鹽浴及堿浴上一頁(yè)下一頁(yè)7.2.2其它新型淬火介質(zhì)

1.過(guò)飽和硝鹽水溶液

該淬火劑綜合了鹽水和油的優(yōu)點(diǎn)，在高溫區(qū)冷卻能力小于鹽水大于油，而在低溫區(qū)其冷卻能力與油相近。

2.水玻璃淬火劑

使用溫度30～65℃。其冷卻能力介于水與油之間，性能穩(wěn)定，冷速可調(diào)節(jié)，可作為淬火油的代用品；缺點(diǎn)對(duì)工件表面有一定的腐蝕作用。

3.氯化鋅—堿水溶液淬火劑

使用溫度范圍為20～60℃。高溫區(qū)冷速比水快，低溫區(qū)冷速比水慢，淬火后工件變形小，表面較光亮，適用于中小型形狀復(fù)雜的中、高碳鋼制工具的淬火。35上一頁(yè)下一頁(yè)4.合成淬火劑

主要成分是0.1～0.4％聚乙烯醇水溶液，附加少量的防腐劑(苯甲酸鈉)、防銹劑(三乙醇胺)及消泡劑(太古油)。使用溫度為25～45℃。這種淬火劑的特點(diǎn)是：高溫區(qū)冷速與水相近，低溫區(qū)冷速比水要慢，淬火時(shí)在工件表面形成凝膠狀膜，使沸騰與對(duì)流期延長(zhǎng)，該膜在以后冷卻中會(huì)自行溶解。提高合成淬火劑的濃度可使冷卻能力下降。這種淬火劑的冷速可調(diào)，無(wú)毒、無(wú)臭、不燃，具有一定的防腐、防銹、消泡能力；目前廣泛用于碳素工具鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、軸承鋼等多種材料的淬火。例如，對(duì)形狀復(fù)雜的碳鋼工件，在感應(yīng)加熱后采用這種合成淬火劑噴射淬火，可避免噴水易裂及噴乳化液硬度過(guò)低等缺點(diǎn)。36上一頁(yè)下一頁(yè)5.聚醚淬火劑該淬火劑主要成分為環(huán)氧乙烷與環(huán)氧丙烷。它的特點(diǎn)是能以任何比例互相溶解，故可通過(guò)調(diào)節(jié)濃度來(lái)控制冷卻速度，因而有萬(wàn)能淬火劑之稱。主要缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴。37上一頁(yè)下一頁(yè)7.3鋼的淬透性7.3.1淬透性的意義

38上一頁(yè)下一頁(yè)圖7.10工件截面上各處的冷卻速度39圖7.11工件淬硬層與冷卻速度的關(guān)系心部表面非馬氏體區(qū)馬氏體區(qū)冷速V淬硬區(qū)與未淬硬區(qū)示意圖時(shí)間溫度A1MSK臨心V表工件截面上不同冷卻速度上一頁(yè)下一頁(yè)VV鋼的淬透性是指奧氏體化鋼在淬火時(shí)獲得淬硬層深度的能力，或者說(shuō)是獲得馬氏體的能力。淬硬層深度是指從表面至半馬氏體(50%)組織區(qū)的距離。

40上一頁(yè)下一頁(yè)圖7.16冷卻速度對(duì)硬度和組織的影響

鋼的淬透性意義就在于其決定了具有一定尺寸和化學(xué)成分的鋼件在某種介質(zhì)中淬火能否得到全部馬氏體的性能。1.淬透性與淬硬層深度兩者區(qū)別淬透性是鋼的一種固有屬性，其大小用規(guī)定條件下的淬硬層深度表示。相同奧氏體化溫度下的同一鋼種，其淬透性是確定不變的。41上一頁(yè)下一頁(yè)淬透性高低取決于其淬火臨界冷速的大小，而淬火臨界冷速的大小取決于過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性。淬透性不隨工件的形狀、尺寸和介質(zhì)的冷卻能力而變化。淬硬層深度是工件在某一具體條件下得到的數(shù)值，用表面至半馬氏體組織區(qū)的距離表示，淬硬層深度不是確定不變的；淬硬層深度除與鋼的淬透性有關(guān)外，還受工件尺寸、淬火介質(zhì)的冷卻能力等外部因素的影響。42上一頁(yè)下一頁(yè)

2.淬硬性與淬透性

淬硬性是指鋼在正常淬火條件下達(dá)到的最高硬度，即鋼在淬火時(shí)的硬化能力。淬硬性主要與鋼中的碳含量有關(guān)，更確切地說(shuō)，它取決于淬火加熱時(shí)固溶于奧氏體中的碳含量，與合金元素的含量關(guān)系不大。一般來(lái)說(shuō)，奧氏體中固溶的碳量愈高，淬火后馬氏體的硬度也愈高。淬硬性與淬透性的含義不同，淬硬性高的鋼，其淬透性不一定高，而淬硬性低的鋼，其淬透性不一定低。43上一頁(yè)下一頁(yè)

3.淬透性的實(shí)用價(jià)值是正確選用鋼材和制訂熱處理工藝的重要依據(jù)之一。44圖7.12淬透性對(duì)調(diào)質(zhì)后鋼的力學(xué)性能的影響表面表面中心HRC0.2ak表面表面中心0.2akHRC45推斷鋼材的尺寸效應(yīng)(隨工件尺寸增大而熱處理強(qiáng)化效果減弱的現(xiàn)象叫做尺寸效應(yīng))。圖7.13工件截面尺寸對(duì)淬透層深度的影響上一頁(yè)下一頁(yè)7.3.2淬透性的確定方法

1.臨界淬火直徑法定義－指鋼在某種淬火介質(zhì)中能夠完全淬透(心部馬氏體的體積分?jǐn)?shù)為50％)的最大直徑。測(cè)量方法－用不同直徑的圓棒試樣在某種介質(zhì)中淬火后，沿試樣截面測(cè)量硬度分布，找出其中心部位達(dá)到半馬氏體區(qū)硬度的試樣直徑，即為鋼在該淬火介質(zhì)中淬火時(shí)的臨界淬火直徑(Dc)。顯然，Dc隨介質(zhì)的冷卻能力而變，但對(duì)于同一種鋼其淬透性是唯一的，并不隨冷卻條件改變。在相同冷卻條件下，Dc越大，鋼的淬透性越好。

46上一頁(yè)下一頁(yè)472.末端淬火法采用Ф25×100mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，加熱至規(guī)定溫度奧氏體化后，迅速放入試驗(yàn)裝置中噴水冷卻。圖7.14末端淬火設(shè)備上一頁(yè)下一頁(yè)試樣冷卻后沿其軸向磨平兩側(cè)，從試樣末端起每隔1.5mm測(cè)量一次硬度，得到鋼的淬透性曲線。

48圖7.15淬透性曲線的測(cè)定上一頁(yè)下一頁(yè)4950圖7.1640Cr鋼的淬透性帶上一頁(yè)下一頁(yè)

3.淬透性的表示方法

其中J表示末端淬火的淬透性，d表示距水冷端的距離，HRC為該處半馬氏體的洛氏硬度值。

表示在淬透性帶上距末端6mm處的硬度(半馬氏體)為40HRC。>517.3.3淬透性曲線的應(yīng)用

(1)確定工件截面上的硬度分布

例如：有一直徑50mm的軸，材料40MnB鋼，求水淬后截面上的硬度分布。已知條件：淬火時(shí)圓棒直徑及其截面各處的冷卻速度與末端淬火距離的關(guān)系40MnB淬透性曲線52上一頁(yè)下一頁(yè)53圖7.17淬火時(shí)圓棒直徑及其截面各處的冷卻速度與末端淬火距離的關(guān)系(a)靜水(b)靜油中淬火上一頁(yè)下一頁(yè)找出該軸沿截面各點(diǎn)處冷速的變化所對(duì)應(yīng)的末端淬火試樣至水冷端的距離54圖7.1840MnB淬透性曲線圖7.19Ф50mm的40MnB鋼軸水淬后截面上的硬度分布上一頁(yè)下一頁(yè)由40MnB鋼的淬透性曲線查出距水冷端各點(diǎn)處的硬度。距水冷端各點(diǎn)處的硬度即為從試樣表層至中心的硬度,由此繪出曲線。55（2）根據(jù)硬度要求選擇鋼的熱處理工藝

例如:用40鋼制造Ф45mm的軸，要求淬火后在3/4R處有80％馬氏體組織，在1/2R處的硬度不低于40HRC，問(wèn)采用油淬是否合適?圖7.20鋼的淬火硬度與含碳量的關(guān)系上一頁(yè)下一頁(yè)56圖7.21用淬透性曲線選擇鋼熱處理工藝圖解油淬：3/4R處的硬度值38HRC低于要求的47.5HRC(80%M)；1/2R處的硬度值27HRC低于40HRC。

故油淬不能滿足零件要求。水淬：能滿足零件要求。小結(jié)淬透性57用規(guī)定條件下的淬硬層深度度量主要決定于淬火臨界冷速→A過(guò)穩(wěn)定性淬硬性淬火時(shí)的硬化能力主要決定于鋼的含碳量(與合金元素含量關(guān)系不大)上一頁(yè)下一頁(yè)淬透性的應(yīng)用（1）確定工件截面上的硬度分布（2）根據(jù)硬度要求選擇鋼的熱處理工藝

58上一頁(yè)下一頁(yè)7.4淬火缺陷及其防止7.4.1淬火內(nèi)應(yīng)力59內(nèi)應(yīng)力熱應(yīng)力組織應(yīng)力由淬火鋼件內(nèi)外溫差導(dǎo)致熱脹冷縮不一致而引起。由鋼件內(nèi)外溫差造成組織轉(zhuǎn)變不同時(shí)，引起內(nèi)外比容變化而產(chǎn)生。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力>屈服強(qiáng)度→工件變形當(dāng)內(nèi)應(yīng)力>抗拉強(qiáng)度→工件開(kāi)裂上一頁(yè)下一頁(yè)

1.熱應(yīng)力

60圖7.21圓柱試樣在A1以下急冷時(shí)熱應(yīng)力的變化表面冷卻初期：表面先冷卻收縮，對(duì)心部產(chǎn)生壓應(yīng)力；而心部反抗表面的收縮對(duì)表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。在oa段，表層的拉應(yīng)力和心部的壓應(yīng)力隨冷卻而增大；冷卻中期：在ab段，心部開(kāi)始比表層有更大的收縮，使表層所受的拉應(yīng)力和心部所受的壓應(yīng)力趨于減小；直到bc段某一時(shí)刻，表層和心部脹縮差別減至零；冷卻后期：cd段，表層金屬的冷卻和體積收縮已經(jīng)終止，心部金屬繼續(xù)冷卻并產(chǎn)生體積收縮，此時(shí)心部會(huì)受到表層的牽制作用而受拉應(yīng)力，冷硬狀態(tài)的表層則由于心部收縮而受到壓應(yīng)力。當(dāng)整個(gè)零件冷至室溫時(shí)，內(nèi)外溫差消失，冷卻后期的應(yīng)力狀態(tài)被殘留下來(lái)。61上一頁(yè)下一頁(yè)圖7.21圓柱試樣在A1以下急冷時(shí)熱應(yīng)力的變化表面熱應(yīng)力的變化規(guī)律：冷卻前期，表層受拉，心部受壓；冷卻后期，表層受壓，心部受拉。零件淬火冷卻至室溫時(shí)，由熱應(yīng)力引起的殘余應(yīng)力表現(xiàn)為表層受壓，心部受拉的應(yīng)力狀態(tài)。冷卻速度↑→截面溫差↑→熱應(yīng)力↑

在相同冷卻介質(zhì)條件下，工件加熱溫度越高、截面尺寸越大、且鋼材導(dǎo)熱性越差和線膨脹系數(shù)越大，工件內(nèi)外溫差越大，則熱應(yīng)力越大。62上一頁(yè)下一頁(yè)淬火初期：零件表層快速冷卻至Ms點(diǎn)以下先轉(zhuǎn)變成馬氏體而膨脹，此時(shí)心部仍為奧氏體，體積不發(fā)生變化。因此,心部阻止表層體積膨脹使零件表面處于壓應(yīng)力狀態(tài)，而心部處于拉應(yīng)力狀態(tài)。繼續(xù)冷卻時(shí)：零件表面馬氏體轉(zhuǎn)變基本結(jié)束，體積不再膨脹，而心部溫度才下降到Ms點(diǎn)以下，開(kāi)始發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，心部體積要膨脹。此時(shí)表面已形成一層硬殼，心部體積膨脹將使表面受拉應(yīng)力，心部則受壓應(yīng)力。這種應(yīng)力狀態(tài)將一直保留到室溫而成為零件中的殘余內(nèi)應(yīng)力。組織應(yīng)力的變化規(guī)律：冷卻初期，表層受壓，心部受拉；冷卻后期，表層受拉，心部受壓，即組織應(yīng)力的方向及其變化規(guī)律與熱應(yīng)力相反。63上一頁(yè)下一頁(yè)

2.組織應(yīng)力

7.4.2淬火變形

7.4.2.1熱應(yīng)力、組織應(yīng)力和比容差效應(yīng)所造成的變形趨勢(shì)

1.熱應(yīng)力造成的變形趨勢(shì)使工件沿最大尺寸方向收縮，沿最小尺寸方向脹大，即力圖使工件的棱角變圓，平面凸起，變得趨于球狀，其形狀好像一個(gè)真空中受內(nèi)壓的容器。64上一頁(yè)下一頁(yè)返回回主頁(yè)

幾何形狀變化(由熱應(yīng)力和組織應(yīng)力引起)淬火變形體積變化(由組織轉(zhuǎn)變引起)

65上一頁(yè)下一頁(yè)圖7.22圓柱體在熱應(yīng)力作用下的變形趨勢(shì)2.組織應(yīng)力引起的變形趨勢(shì)66圖7.23圓柱體在組織應(yīng)力作用下的變形趨勢(shì)

其變形趨勢(shì)恰好與熱應(yīng)力相反，工件沿最大尺寸方向伸長(zhǎng)，沿最小尺寸方向收縮，力圖使工件棱角突出，平面內(nèi)凹，其外形好像一個(gè)真空中承受外壓的容器。

3.比容差效應(yīng)造成的變形趨向

由組織轉(zhuǎn)變引起的比容變化總是使工件的體積在各個(gè)方向上作均勻的脹大或縮小。如果熱處理后組織中馬氏體量越多，或者馬氏體中碳含量越高，則其體積脹大就越多；如果殘余奧氏體量越多，則體積脹大就越少。通過(guò)熱處理控制馬氏體與殘余奧氏體的相對(duì)量來(lái)控制其體積變化，使體積既不脹大，也不縮小。67上一頁(yè)下一頁(yè)7.4.2.2影響淬火變形的因素1.鋼的淬透性淬透性好，可使用冷卻較為緩和的淬火介質(zhì)，其熱應(yīng)力就相對(duì)較小；淬透性好，工件易淬透，其組織應(yīng)力和比容差效應(yīng)的作用相對(duì)較大，則以組織應(yīng)力造成的變形為主。鋼的淬透性較差，熱應(yīng)力對(duì)變形的作用就較大。淬火工件的變形與淬硬層深度有密切關(guān)系，在完全淬透的情況下，其長(zhǎng)度增加。如果因尺寸大而未淬透，則其長(zhǎng)度反而縮小。68上一頁(yè)下一頁(yè)

2.奧氏體的化學(xué)成分69上一頁(yè)下一頁(yè)Ms點(diǎn)愈高，組織應(yīng)力對(duì)變形的影響就愈大。這是因?yàn)镸s點(diǎn)較高，開(kāi)始發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)工件的溫度較高，尚處于較好的塑性狀態(tài)，在組織應(yīng)力作用下易于變形。Ms點(diǎn)愈低，熱應(yīng)力對(duì)變形的影響愈大。這是由于工件溫度較低使塑性變形抗力增大，加之殘余奧氏體量較多，工件易于保留由熱應(yīng)力引起的變形趨勢(shì)。低碳鋼(≤0.25%C)淬火后一般表現(xiàn)為以熱應(yīng)力為主的變形特征。這是因?yàn)榈吞捡R氏體的比容較小，組織應(yīng)力小，所以盡管其Ms點(diǎn)高，基本上還是熱應(yīng)力對(duì)變形起主導(dǎo)作用。中碳鋼(0.25%<C≤0.6%)淬火后一般表現(xiàn)為以組織應(yīng)力為主的變形特征。這是因?yàn)橹刑间擇R氏體的比容比低碳鋼大，盡管Ms點(diǎn)有所降低，但仍較高，故在組織應(yīng)力作用下易于變形。在未淬透的情況下，組織應(yīng)力引起的變形減小，也可能出現(xiàn)以熱應(yīng)力為主的變形特征。高碳鋼(>0.6%C)在淬不透的情況下表現(xiàn)為以熱應(yīng)力為主的變形特征。但在全部淬透時(shí)，由于馬氏體的比容很大，盡管Ms點(diǎn)相當(dāng)?shù)?熱應(yīng)力相當(dāng)大)，但仍是組織應(yīng)力起主導(dǎo)作用。鋼中的合金元素含量增加，鋼的淬透性增強(qiáng)，故淬火變形較小。70上一頁(yè)下一頁(yè)3.淬火加熱溫度

淬火加熱溫度提高，不僅使熱應(yīng)力增大，而且由于淬透性增加，也使組織應(yīng)力增大，故將導(dǎo)致變形增大。4.淬火冷卻速度

冷卻速度愈大，則淬火內(nèi)應(yīng)力愈大，淬火變形也愈大。但熱應(yīng)力引起的變形主要取決于Ms點(diǎn)以上的冷卻速度，而組織應(yīng)力引起的變形主要取決于Ms點(diǎn)以下的冷卻速度。71上一頁(yè)下一頁(yè)

5.原始組織

鋼的帶狀組織、成分偏析以及碳化物網(wǎng)的存在等易于在加熱時(shí)獲得成分不均勻的A，故淬火后變形量增加；比容小的粒狀珠光體比片狀珠光體淬火后的變形量要小。72上一頁(yè)下一頁(yè)

一般來(lái)說(shuō)，形狀簡(jiǎn)單、截面對(duì)稱的工件，淬火變形較??；而形狀復(fù)雜、截面不對(duì)稱的工件，淬火變形較大。

7.淬火前的殘余應(yīng)力大小及分布

機(jī)械加工、焊接、校正等均能產(chǎn)生殘余應(yīng)力，淬火前未進(jìn)行退火消除應(yīng)力，則淬火后變形將增加。6.工件形狀

7.4.3減少淬火變形開(kāi)裂的措施1.正確選材和合理設(shè)計(jì)工件形狀選材－對(duì)于形狀復(fù)雜、截面尺寸相差懸殊的工件最好選用淬透性較高的合金鋼，使之能在緩冷的淬火介質(zhì)中冷卻，以減小內(nèi)應(yīng)力。工藝選擇－對(duì)形狀復(fù)雜且精度要求較高的模具、量具等，不僅要選用低變形鋼(如CrWMn，Crl2MoV等)，并采用分級(jí)或等溫淬火。工件設(shè)計(jì)－應(yīng)盡量減少截面厚薄懸殊、避免薄邊尖角，在零件厚薄交界處盡可能平滑過(guò)渡；盡量減少軸類的長(zhǎng)度與直徑的比；對(duì)較大型工件，宜采用分離鑲拼結(jié)構(gòu)以及盡量創(chuàng)造在熱處理后仍能用機(jī)械加工修整變形的條件。73上一頁(yè)下一頁(yè)

2.采用適當(dāng)?shù)念A(yù)備熱處理鍛造毛坯后－進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)備熱處理(如正火、退火、調(diào)質(zhì)處理、球化處理等)，以適應(yīng)機(jī)械加工和最終熱處理的要求。在粗、精加工之間或淬火之前－對(duì)于某些形狀復(fù)雜、精度要求較高的工件需先進(jìn)行消除應(yīng)力退火。

3.采用合適的熱處理工藝應(yīng)盡量做到加熱均勻，以減小加熱時(shí)的熱應(yīng)力；對(duì)大型鍛模及高速鋼或高合金鋼工件應(yīng)采用預(yù)熱。

74上一頁(yè)下一頁(yè)選擇合適的淬火加熱溫度。一般情況下應(yīng)盡量選擇淬火下限溫度。但對(duì)于薄壁件適當(dāng)提高淬火溫度對(duì)抵消以組織應(yīng)力為主的變形也有一定的作用。正確選擇淬火介質(zhì)和淬火方法。在滿足性能要求的前提下，應(yīng)選用較緩和的淬火介質(zhì)，或采用分級(jí)淬火、等溫淬火等方法。在Ms點(diǎn)以下要緩慢冷卻。此外，從分級(jí)浴槽中取出空冷時(shí)，必須冷到40℃以下清洗，否則也易開(kāi)裂。淬火后必須及時(shí)回火，尤其是對(duì)形狀復(fù)雜的高碳合金鋼工件更應(yīng)特別注意。75上一頁(yè)下一頁(yè)767.4.4其它淬火缺陷及其防止1.氧化與脫碳原因：加熱時(shí)，爐內(nèi)氧化氣氛(O2、CO2、H2、H2O蒸汽)與鋼材表面的鐵或碳相互作用引起。措施：鹽浴爐、保護(hù)氣氛、真空加熱或在工件表面涂保護(hù)劑。

在空氣介質(zhì)中加熱，可