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发表于 2005-1-11 15:22
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钢的淬火
什么是钢的淬火?
首先将钢加热到临界点(Ac3,Ac1)以上,经过一段时间的保温使钢奥氏体化,然后再以大于临界冷却速度Vk进行快速冷却,从而发生M转变的热处理工艺,称淬火。
淬火的目的?
为了获取M组织,它是强化钢材最主要的热处理方法。
提示:
M不是热处理所要求的最后组织,淬火后,钢材还要根据不同的需要,进行不同温度的回火,这样可使淬火M获取不同的组织,从而使淬火钢零件具有不同的机械性能,充分满足各种工具与零件的使用要求。
一.淬火工艺
(一).淬火加热温度的选择
淬火温度的高低与钢的化学成分有关
亚共析钢 t=Ac3+(30~70)°C
共析钢,过共析钢 t=Ac1+(30~70)°C
亚共析碳钢为什么要加热到Ac3以上完全A化后淬火呢?
若加热温度选在Ac1~Ac3之间,组织中有一部分铁素体存在,在随后的淬火冷却中,由于铁素体不发生变化而保留下来,它的存在是钢的淬火组织中存在软点,降低了淬火钢的硬度,同时它的存在还会影响钢的均匀性,影响机械性能,加热Ac3以上太高也不行,钢的氧化脱碳严重,另一方面A精粒粗大,淬火后M粗大,钢的性能变坏。
过共析钢的淬火加热温度为什么选择在Ac1~Ac3之间?
首先过共析钢在淬火加热以前,都要经过球化处理,加热到Ac1~Acm之间时组织为A和一部分未溶化的Fe3C,,淬火后,A—>M,Fe3C被保留下来,Fe3C硬度很高,它的存在,可以提高钢的硬度和耐磨性,如果将过共析钢加热到Acm以上淬火,有以下几点不利因素:
1.由于Fe3C完全溶入A,钢中含碳量增加,Ms点下降,淬火后残余A量增加,反降低了钢的硬度与耐磨性。
2.A精粒粗化,淬火后的M粗大,晶微裂纹增多,钢的脆性大为增加。
上图为T12钢加热Acm以上淬火后所获取的带有显微裂纹的粗化M组织。
3.钢的氧化脱碳严重,降低钢的表面质量。
4.增大淬火应力,增加了工件变形和开裂的倾向。
除了上述钢的淬火加热温度选择原则之外,对同一化学成分的钢,由于工件的形状和尺寸,淬火冷却介质或淬火方法不同,因此淬火加热温度要考虑各种因素的影响,结合具体情况制定。
(二).加热时间的选择
加热时间指的是升温与保温所需时间,加热时间的长短与很多因素有关,象钢的成分,原始组织,工件形状和尺寸,加热介质,装炉方式,炉温等许多因素有关,确切计算加热时间很困难,课本中只是给出一个经验公式:
t=a*D
t 加热时间;a 加热系数;D 工件有效厚度
表5-5 常用钢的加热系数
钢的种类
工件直径mm
〈600℃箱式炉中预热
750~850℃盐浴炉中加热或预热
800~900℃箱式炉或井式炉中加热
1100~1300℃高温盐炉中加热
碳钢
《50
〈50
.
0.3~0.4
0.4~0.5
1.0~1.2
1.2~1.5
.
合金钢
《50
〉50
.
0.45~0.5
0.5~0.55
1.2~1.5
1.5~1.8
.
高合金钢
.
0.35~0.40
0.3~0.35
.
.
表5-6 工件有效厚度的确定
(三).淬火冷却介质
1.理想淬火冷却速度
前面我们介绍过,加热到A状态的钢,冷却速度必须大于临界冷却速度是才能获得要求的M组织。
但是从此图我们可以看出,要获取M组织,不需要在整过冷却过程中都快速冷却,关键在C曲线鼻尖处,这里奥氏体最不稳定,因此650最不稳定,因此650~550°C温度范围内要快速冷却,而在稍低于A1点和稍高于Ms点处过奥氏体较稳定,为了减少淬火冷却中因工件截面内外温度差引起的热应力,冷却速度应缓慢些,特别是Ms点处,冷却速度太大,工件体积涨大,组织应力也愈大,易引起变形和开裂。
2.常用淬火冷却介质
表5-7 常用淬火冷却介质及其冷却特性
淬火冷却介质
最大冷却速度时
平均冷却速度,①℃
所在温度,℃
冷却速度,℃/s
650~500℃
300~200℃
静止自来水,20℃
340
775
135
450
静止自来水,60℃
220
275
80
185
10%NaCL水溶液,20℃
580
2000
1900
1000
15%NaOH水溶液,20℃
560
2830
2750
775
10号机油,20℃
433
230
60
65
10号机油,80℃
430
230
70
55
各冷却速度值均系根据有关冷却速度特性曲线估算。冷却速度特性曲线通常是用导热率高的银制球形试样(Φ20mm),加热后淬入冷却介质中,利用热电偶测出试样心部温度随冷却时间的变化,并经示波器显示出来。
二.淬火方法
(一).单液淬火法
把加热工件投入一种淬火冷却介质中,一直冷却至室温的淬火方法。
曲线a所示这是一种常用的方法,特点是操作简便,易实现机械化与自动化,缺点是在650~550°C和300~200°C都不理想
(二).预冷淬火法
将加热的工件从加热炉中取出后,先在空气中预冷一定的温度,然后再投入淬火冷却介质中冷却。
曲线b所示这种方法即可不降低淬火工件的硬度与淬硬层深度的条件下,使热应力大大减小,因此,它对防止变形和开裂有积极措施。
(三).双液淬火法
把加热的工件先投入冷却能力较强的介质到稍高于Ms点温度,然后立即转入另一冷却能力较弱的介质中,进行发生M转变的淬火。
如图所示,即为双液淬火法,双液淬火的关键是要控制好从第一冷却介质进行到第二冷却介质的温度,温度太高(C点以上)取出缓冷回发生珠光体型转变,太低又发生M转变,失去了双液的意义,又达不到双液淬火的目的。
(四).分级淬火法
(a)曲线将加热的工件先投入温度在Ms点附近的盐溶或碱溶槽中,停留2~3分钟,然后取出空冷,以获得M组织的淬火,称分级淬火。分级淬火是通过在Ms点附近的保温,消除了工件内外温差,使淬火热应力减到最小,而且在随后空冷时,可在工件截面上几乎同时形成M组织,所以可减少组织应力的产生,也减少了变形与开裂的倾向。盐溶或碱溶的冷却能力较小,容易使A稳定性较小的钢在分级过程中形成珠光体,故上法只使用于截面尺寸不大,形状较复杂的碳钢及合金钢件,一般直径小于10~15mm的碳钢工件以及直径小于20~30mm的低碳合金钢工具,以及直径小于20~30mm的低碳合金钢工具。过去分级淬火一般都高于Ms点,而现在较多的该在略低于Ms点温度,这是因为选在Ms点以下,能增加工件在盐溶中的冷却速度,可以获得更深的淬硬性,注意分级淬火不能在Ms点以下太多,否则就成了单液淬火法了。
(五).等温淬火法
把加热的工件投入温度稍高于Ms点的盐溶或碱溶槽中,保温足够的时间(一般为半小时以上)发生下贝氏体转变后取出空冷,钢等温淬火后组织是贝氏体,故又称为贝氏体淬火。特点:淬火内应力很小,工件不易变形和开裂,而且所获得的下贝氏体组织具有良好的综合机械性能,强度,硬度,韧性也都较高,多用来处理形状复杂,尺寸精度较高,且硬度,韧性也都很高的工件,象各种冷,热冲模,成型工具和弹簧等。另外低碳贝氏体性能不如低碳M好,因此低碳钢不进行等温淬火,等温淬火实用于中碳以上的钢。
(六).局部淬火
三.淬火缺陷的防止方法
热处理生产中,由于热处理工艺处理不当,常会给工件带来缺陷,如氧化,脱碳,过热,过烧,硬度不足,变形与开裂等。
(一).氧化与脱碳
1.氧化是因为钢在有氧化性气体中加热时,会发生氧化而在表面形成一层氧化皮,在高温下,甚至晶界也回会发生氧化。
2.钢在某些介质中加热时,这些介质会使钢表面的含碳量下降,我们称这现象为“脱碳”。减少或防止钢在淬火中氧化与脱碳的方法有:
1).采用脱氧良好的盐溶炉加热;
2).在可控保护气氛炉中加热;
3).在真空炉中加热;
4).预留足够的加工余量。
(二).变形和开裂
淬火中变形与开裂只要是淬火时形成内应力所引起的由内应力形成的原因不同,它可分热应力与组织应力两种热应力引起工件变形特点时:使平面边为凸面,直角边钝角,长的方向变短,短的方向增长,一句话,使工件趋于球形。组织应力引起工件变形的特点却与此相反:使平面变为凹面,直角变为钝角,长的方向变长;短的方向缩短,一句话,使尖角趋向于突出。工件的变形与开裂是热应力与组织应力综合的结果,但热应力与组织应力方向恰好相反,如果热处理适当,它们可部分相互抵消,可使残余应力减小,但是当残余应力超过钢的屈服强度是,工件就发生变形,残余应力超过钢的抗拉强度时,工件就产生开裂。为减小变形或开裂,出了正确选择钢材和合理设计工件的结构外,在工艺上可采取下列措施:
1.采用合理的锻造与预先热处理;
2.采用合理的热处理工艺;
3.采用正确的操作方法;
4.对于淬火易开裂的部分,如键槽,孔眼等用石棉堵塞。 |
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