第二章 钢的淬火学生.doc

第二章 淬火与回火第二章 钢的淬火及回火重点：1、了解淬火及回火的目的、作用； 2、了解常用淬火介质的特点； 3、掌握淬火及回火的常用工艺方法。 意义：淬火如与不同温度的回火相结合，工件可得到不同的强度、塑性和韧性的配合，得到不同的应用。 2-1 淬火概念、目的及淬火的必要条件概念：将钢加热至临界点Ac1或Ac3以上某一温度，保温以后以大于临界冷却速度（Vk）冷却，以得到介稳定状态的马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。主要目的：1、提高硬度、强度及耐磨性：工具、渗碳件、轴承及耐磨件等；2、获得良好的综合机械性能：结构钢件。如机床上的轴、齿轮，柴油机上的连杆、螺栓等；3、改善钢的特殊性能：如不锈钢要求提高抗蚀性能；耐热钢希望提高高温强度；抗磨钢希望提高抗磨损能力；磁钢要求提高磁性等。图2-1碳钢的淬火温度范围必要条件：1.加热温度：必须高于临界点以上，以获得奥氏体组织；亚共析钢的淬火温度一般为Ac3以上3050，淬火后获得均匀细小的马氏体组织。如果温度过高，会因为奥氏体晶粒粗大而得到粗大的马氏体组织，使钢的力学性能恶化，特别是使塑性和韧性降低；如果淬火温度低于Ac3，淬火组织中会保留未溶铁素体，使钢的强度硬度下降。图2-1是碳钢的淬火温度范围。2、 冷却速度：必须大于临界冷却速度；3、 淬火后的组织：非平衡组织：大部分碳钢、合金钢得到M、B下；不锈钢、耐热钢、耐磨钢得到A（固溶处理）。图2-2理想淬火介质冷却曲线 2-2 淬火介质（冷却介质、淬火剂、冷却剂）概念：为实现淬火目的所用的冷却介质。一 、对淬火冷却介质的要求必须有足够的冷却速度，其冷却能力即要保证工件的冷却速度不小于临界冷却速度，但同时冷却能力又不过大而导致工件变形及开裂。理想淬火介质：理想淬火介质要求如表2-1，理想淬火介质冷却曲线如图2-2。. 表2-1 理想淬火介质要求温度区（）对冷却速度要求从相变角度要求从减少应力、变形、开裂角度要求650650 400300中等（属于缓冷）大小不发生珠光体转变减少热应力，减少变形减少组织应力，减少变形开裂二、淬火冷却介质的分类及冷却机理 常用的淬火介质为液态介质（水、水溶液或油），按工件淬火冷却过程中淬火介质有无发生物态变化可将其分为两类：有物态变化的和无物态变化的。1.无物态变化的淬火介质：主要靠冷却介质的辐射、传导与对流作用将赤热的工件中热量带走来实现的。属于这类介质有熔盐、熔碱与空气。影响因素：导热性介质导热性好，工件热量被迅速带走，说明冷却能力强； 比热比热大则工件热量被大量而迅速吸收，冷却能力强； 粘度粘度小，工件淬入后，流动性好的介质将工件热量迅速带走； 稳定若低，可吸收工件的大量热量，使工件快速冷却。2.有物态变化的：如果淬火件的温度超过淬火介质的沸腾或分解（裂化）温度，则淬火介质在淬火过程中要发生物态变化。属于这类淬火介质有水、水溶液与油。此时钢件冷却过程分为三个阶段：蒸汽膜阶段：工件表面产生大量过热蒸汽，形成连续蒸汽膜紧紧包住工件，使工件与液体分开。蒸汽是热的不良导体，此阶段的冷却主要靠辐射传热，冷速较慢。沸腾阶段：继续冷却过程中工件温度不断降低，工件辐射量减少，当工件发热量少于淬火介质从蒸汽膜中吸收热量，即蒸汽的形成速度 蒸汽的冷凝速度，蒸汽膜逐渐减薄，最后破裂，即蒸汽阶段结束。同时工件与淬火介质直接接触，形成大量气泡逸出液体带走大量热量，即沸腾阶段。此阶段冷却速度较快。图2-3 淬火过程的冷却各阶段对流阶段：蒸汽阶段结束后，工件的冷却主要靠介质的对流和传导进行。因此时工件与介质间温差小，故冷速较慢。通常要求：* 蒸汽膜阶段不要太长； * 沸腾阶段冷却应剧烈，使工件能迅速冷却，以避过转变的不稳定区域； * 对流阶段的开始阶段要稍高于马氏体转变点，使工件在马氏体转变的范围内冷却比较缓慢，以减少变形、开裂。影响淬火介质冷却能力的因素： 通常希望淬火介质特性温度高一些，沸点低一些，可以缩短蒸汽（膜）阶段与对流阶段；而加长沸腾阶段，就显示出淬火介质冷却能力大。特性温度与沸点低高低决定于淬火介质的性质与外界影响。影响淬火介质冷却能力的因素：（1） 本身内在因素：比热、汽化热、蒸汽压比热、汽化热越大，蒸汽压越低，意味着淬火介质的吸热能力越大，不易汽化；导 热 性导热性越好、淬火介质带走工件热量越容易；表面张力表面张力越小，湿润性就越大，淬火介质越容易带走工件热量；粘 度粘度大，流动性差，不利于流动散热。因此，淬火介质比热和汽化热大、蒸汽压低、导热性好、表面张力小、粘度小，则淬火介质的冷却能力大。（2）外界因素：添加物对蒸汽膜稳定性表现出不同影响，一类是提高蒸汽膜的稳定性，另一类是降低蒸汽膜的稳定性： 提高蒸汽膜的稳定性：所有不溶或微溶于水的物质，如油、肥皂等。 降低蒸汽膜的稳定性：所有溶于水，形成水溶液的物质，如盐、碱等。 淬火介质温度水与水溶液温度升高时，蒸汽膜稳定性增加，特性温度降低，其冷却能力降低。 油温升高，将使油的粘度减小，流动性增加，冷却能力提高。搅拌搅拌可加速蒸汽膜破坏，提高淬火介质的冷却能力，并使冷却趋于均匀，搅拌越均匀，冷却能力越大。工件投入淬火介质温度（淬火温度）降低工件投入淬火介质温度（相当于淬火过程的预冷）可缩短蒸汽膜阶段，但不影响沸腾阶段的冷却能力而工件采用预冷投入淬火介质有利于减少变形。淬火工件的尺寸工件尺寸增大，将使淬火介质的冷却能力降低。 工件表面状态工件表面覆盖一层盐壳或薄氧化膜，在冷却时加速蒸汽膜的破坏因而加快冷却，而厚氧化皮却使冷却速度降低。三、淬火介质冷却特性的测定工件淬火硬化的结果取决于钢的淬透性、淬硬性及工件在淬火介质中冷却的激烈程度。如果工件尺寸及所用钢材均不变，则淬火硬化结果就取决于淬火介质对工件淬火的能力，这种能力是用硬度变化的情况反映出来，称为淬火介质的“淬硬能力”。淬火介质冷却能力常用的表示方法是用淬火烈度H（急冷度、冷却强度）规定静止水的淬火烈度H1，其它淬火介质的H由于静止水的冷却能力比较而得：表2-1 淬火烈度H值淬火介质、工件运动情况不同淬火介质的H值空 气油水盐 水淬火介质、工件不运动淬火介质、工件轻微运动淬火介质、工件适当运动淬火介质、工件较大运动淬火介质、工件强烈运动淬火介质、工件极强烈运动端淬喷水0.020.0500.250.300.300.350.350.400.400.500.500.800.800.100.91.01.01.11.21.31.41.51.62.04.02.502.0-55.023图2-4 银球探头法示意图1.热电偶；2.淬火介质；3.银球 （cm1或in1）式中 钢的导热系数，W/（m ）； - 钢表面与淬火介质的热交换系数，W/(m2 )；对同一种钢来说，值一定，所以H反映了该种介质的冷却能力。冷却特性：般以试样冷却曲线或试样冷却至不同稳度时的冷却速度来表示。试样中心温度/时间（s）DCBAa）图2-5 具有物态变化的淬火介质冷却特性曲线示意图a）试样温度与冷却时间的关系； b）冷却速度与试样温度的关系试样中心温度（）冷却速度/sb）测试方法：“银球探头法”，图2-4：（试样形状：直径为20mm的银球，中心焊上热电偶热点，以测定铝球在淬火介质中冷却过程中的温度变化。之所以来用银球，系因银的热传导系数极大，可以近似地把冷却过程中球表面的温度与球心温度看作是相同的，从而可能把球心温度看作冷却过程中与介质进行热交换的球表面温度。银球具有一定直径，使之在淬火前含有一定热量，般测试条件为：银球加热温度800，介质液量2升，流动速度25cms。图2-5为具有物态变化的淬火介质冷却时特性曲线示意图。图中曲线AB为蒸汽膜阶段，B点相当于蒸汽膜开始破裂的温度，称为该介质的特性温度，BC段相当于沸腾阶段，CD段相当于对流阶段。图b)为与a)对应的试样冷至不同温度时的冷却速度。）四、常用淬火介质及其冷却特性介质应具有的性能：有一定冷却能力；成分稳定不变质；粘度小、流动性好；无毒、无味；不腐蚀工件；淬火后易清洗；来源广，价格低。常用淬火介质有：水及其溶液、油、水油混合液（乳化液）低熔点熔盐。a）静止水 b）循环水图2-6 水的冷却特性1.水来源广泛，价格低。水的汽化热：0 2500 kJ/kg 1002257 kJ/kg热传导系数20时，2.2 kJ/(m.h. )1） 水的冷却速度较大，尤其在400100之间为770/s.在高温区冷却速度较低，即奥氏体最不稳定区（650550）冷却速度静止水,增加水的搅拌(流动),使蒸汽膜的稳定性, 高温 冷却能力。2.碱或盐的水溶液水中溶入盐、碱可减少蒸汽膜的稳定性，使蒸汽膜阶段缩短，特性温度提高，冷却能力大大提高。例如：10%食盐水及20、50%碱水几乎没有蒸汽膜阶段，在650400的高温转变区冷速很大。优点：1）可获得高而均匀的硬度，防止软点产生； 2）对淬透性差的钢可获得较大的硬化层； 3）碱（NaOH）水能和已氧化的工件表面发生反应，呈银白色，外观美观。缺点：1）盐水对工件有腐蚀作用，淬火后必须清洗；2）碱水对人的皮肤有刺激作用，有刺激性气味，对工件和设备有腐蚀，所以不能广泛使用。3.油动植物油、矿物油动植物油是最早采用的冷却介质，虽然冷却能力较水差，但因其在马氏体转变区冷速较慢，所以较为理想。但其来源困难，价格高，且易变质（树脂化、浓缩等）使应用受限。矿物油从天然石油中提炼，如锭子油、机油等。是具有物态变化的淬火介质。特点：1）沸点较高，且有一定温度范围（250400），比水高150350，使油对流传热阶段开始温度比较高，对流阶段范围较宽，而此范围在钢的M转变区；2）特性温度（500以上）比水（300左右）高。即油的冷却速度在500350最快；3）但油的高温区域的冷却能力较低。但由于它的沸点较高，与水比较其特性温度较高。油与水的冷却特性比较，油的特性温度较水高，在500350左右处于沸腾阶段，其下就处于对流阶段。这种冷却特性是比较理想的。对一般钢来说，正好在其过冷奥氏体最不稳定区有最快的冷却速度，如此可以获得最大的淬硬层深度，而在马氏体转变区有最小的冷却速度，可以使组织应力减至最小，防止淬火裂缝的发生。水虽然在高温区仍有比油高的冷却速度，但其最大冷却速度正好在一般钢的马氏体转变温度范围，因此很不理想。 油的冷却能力及其使用温度他围主要取决于油的粘度及闪点。* 油的粘度：油的温度提高，粘度减少，流动性提高，冷却能力提高；* 工件表面与油的温差：而油温提高，工件与油的温差减小，冷却能力降低。闪点油品在一定条件下加热，油品表面上的油蒸汽和周围空气组成一种爆炸性混合气，当火焰接近时，发生闪火或爆炸的温度叫闪点。常用的淬火油有：L-AN15、L-AN32、L-AN46、L-AN68（10号、20号、30号、40号机油）。号越大，粘度越大，闪点越高。其闪点分别是165、170、180、190。油温一般应保持在闪点以下100左右，以免着火。油的老化：淬火油经长期使用后，其粘度和闪点升高，产生油渣，油的冷却能力下降。这种现象称为油的老化。这是因为矿物油在灼热的工件作用下，与空气中的氧或工件带入的氧化物发生作用，以及通过聚合、凝聚和异构化作用产生油不能溶解的产物所致。此外，在操作中油内水分增加也会促进油的老化。为了防止油的老化，应控制油温，并防止油温局部过热，避免水分带入油中，经常清除油渣等。4.其他新型淬火介质水的冷却能力很大，但冷却特性很不理想，而油的冷却特性虽比较理想，但其冷却能力又较低。因而寻找冷却能力介于水油之间，而冷却特性又比较理想的淬火介质，是目前研究淬火介质的中心问题。水是来源丰富、价格低廉、性能稳定的淬火介质。如果水中加入一些可改变其冷却能力的物质，并能满足使用要求，则是一种理想的淬火介质。如果在水中加入不溶于水而构成混合物的物质，如构成悬浮液(固态物质)成乳化物(末溶液滴)；或在水中含有气体，均将增加蒸汽膜核心，提高蒸汽膜的稳定性，降低特性温度，从而使冷却能力降低。但是如果对液体再施以一定程度的搅动，则可控制各阶段的温度范围及冷却速度。 有机物质的水溶液及乳化液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。优点：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。应用：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。 影响因素：浓度浓度越高，冷却速度越慢；使用温度使用温度越高，冷却速度越慢；搅拌程度搅拌程度越激烈，冷却速度越快。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。 例如： 聚乙烯醇水溶液 在水中加入聚乙烯醇，不仅增加了粘度，且在冷却过程中在工件表面形成一层粘的塑性膜。这层塑性薄膜在冷却过程中的蒸汽膜阶段出现，使蒸汽膜冷却阶段的冷速进一步降低，同时大大降低对流冷却阶段的冷速。溶液中聚乙烯醇含量越多，溶液粘度越大，越接近油。 水玻璃淬火剂 是指用水稀释成不同浓度的的水玻璃（Na2SiO3）溶液。水玻璃水溶液中加入盐和碱后，蒸汽膜不稳定而使蒸汽膜阶段缩短，冷却速度加快；但由于水玻璃的作用又较盐（碱）水为小，因此沸腾阶段冷却能力较水差，比油强。在低温，由于表面覆盖一层水玻璃膜，故冷却较慢。调节成分可使之具有不同的冷却速度，水玻璃含量低时冷却快，否则慢。例如，“351”淬火剂的配比（质量分数）为79%的水玻璃、1114%的NaCl、1114%的Na2CO3、0.5%的NaOH，其余为水。其使用温度为3065，冷却速度介于油与水之间。 氯化锌碱水溶液这种淬火剂的成分（质量分数）为：49%的ZnCl2+49%的NaOH+2%肥皂粉，再加300倍水稀释。使用时要搅拌均匀，使用温度为2060.其特点是：中温区冷速比水快，低温区冷速比水慢，冷却后工件变形小，表面光亮，适用于中小尺寸、形状复杂的中高碳钢制工模具的喷射淬火。 2-3 钢的淬透性 淬透性是钢的重要热处理工艺性能，也是选材和制定热处理工艺的重要依据之一。 一、淬透性的概念 钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的难易程度，或获得淬硬层（也称为淬透层）深度的能力是钢的固有属性。他取决于钢的淬火临界冷却速度的大小，即钢的过冷奥氏体的稳定性。淬透性与冷却速度、工件尺寸等外部因素无关。其大小用钢在一定条件下淬火获得的淬硬层深度来表示。淬硬性：钢淬火时的硬化能力，即钢淬火为马氏体所能达到的硬度，他主要取决于含碳量，而与合金元素关系不大。 二、影响淬透性的因素 影响淬透性的主要因素是化学成分，除Co以外，所有溶于奥氏体中的合金元素都提高淬透性。另外，奥氏体的均匀性、晶粒大小及是否存在第二相等因素都会影响淬透性。1.含碳量：亚共析钢含碳量增加，奥氏体的稳定性增大，曲线右移，淬透性提高；过共析钢随着含碳量增加，奥氏体的稳定性降低，曲线左移，淬透性降低(未溶渗碳体促进奥氏体分解)2.合金元素：除Co外，绝大多数合金元素溶入奥氏体后，都使曲线右移，形状也可能会发生改变，使淬透性提高；3.加热温度和保温时间随加热温度的提高和保温时间的延长，碳化物溶解充分， 奥氏体成分均匀，晶粒粗大（总形核部位减少），这些都增加过冷奥氏体的 稳定性，使曲线右移，提高了钢的淬透性；4.钢中未溶第二相未溶第二相越多，作为结晶核心，使A体不稳定，C曲线左移，淬透性下降。 5.原始组织：原始组织中珠光体的类型（片、粒）及弥散度不同，奥氏体化时影响奥氏体的均匀性，从而影响淬透性。碳化物越细小，溶入奥氏体越迅速，越有利于提高钢的淬透性。三、淬透性的意义 淬透性高的钢整个截面都可淬透，组织均匀、性能均匀。而低淬透性的钢，未被淬透的心部保留淬火前的组织，力学性能低，特别是冲击韧性。图2-7 端淬试验与淬透性曲线四、淬透性的测定及其表示方法 淬透性的测定方法很多，目前应用得最广泛的是“末端淬火法”，简称端淬试验。试验时，先将标准试样加热至奥氏体化温度，停留3040min，然后迅速放在端淬试验台上喷水冷却。图2-7a是末端淬火试验法示意图。 五、淬透性评定标准与方法图2-8 U曲线法示意图 1.评定标准：通常用标准试样，在一定条件下冷却所得淬硬层的深度或能够全部淬透的最大直径来表示。 为评定方便，通常采用从淬火工件表面至半马氏体区（50%M）的距离作为淬硬层的深度。 2.评定方法：目前国际上好我国常采用U曲线法、临界直径法和末端淬火法。 U曲线法 用L=46D的一组直径不同的圆棒试样，按规定条件淬火，然后从中间截断，磨平后沿中心十字线测硬度，将测定结果绘成硬度分布曲线，如图2-8。淬透性大小可用淬透层深度h或用未淬透心部的直径DH与试样直径D的比值DH/D表示。图2-9 45钢不同直径试棒在强烈搅动水中淬火的断面硬度曲线 临界直径法 临界直径D0（达到半马氏体区硬度）。钢种及淬火介质不同，Do不同。一组由被测钢制成的不同直径的圆形棒按规定淬火条件(加热温度，冷却介质)进行淬火，然后在中间部位垂直于轴线截断，径磨光，制成粗晶试样后，沿着直径方向测定自表面至心部的硬度分布曲线。图2-9为45钢不同直径试样在强烈搅动的水中淬火的断面硬度曲线。若其磨面用硝酸酒精溶液经腐蚀，发现随着试样直径增加心部出现暗色易腐蚀区，表面为亮圈，且随着直径的继续增大暗区越来越大，亮圈越来越小。图2-9为其示意图。若与硬度分布曲线