热处理变形问题的探讨.doc

热处理变形问题的探讨（三）五、基本措施的应用次序 上面介绍的四类调节冷却速度带基本措施，也就是控制淬火变形的四类基本方法。在热处理生产中，解决工件淬火变形问题时，如果有足够的实际经验，则可以判定直接采取某一类或几类措施；如果经验尚不足，则又可以按下面介绍的基本措施应用次序，逐一试用，直至解决问题为止。第一条措施：改变热处理工艺参数首先，可以根据淬火变形工件的冷却速度带的跨区情况，采取以下热处理工艺措施 : 提高或降低工件 ( 或其局部 ) 的淬火加热温度； 升高或降低淬火液液温； 增大或减小淬火冷却过程中工件 ( 或其局部 ) 对淬火液的相对流速。 采取一项或几项这类措施，通常可以解决不少淬火变形问题。 第二条措施：改变淬火液使用浓度浓度易测易控的水溶性淬火剂配成的淬火液，适于采用这类措施。由于浓度变化后较难还原，因此，是在采取第 1 条措施尚不能解决问题时，才可考虑用第 2 条。第三条措施：改换淬火介质品种或加入专配添加剂改换介质包括 :由自来水换成某种水溶性淬火液；由一种水溶性淬火液改成另一种水溶性淬火液；由自来水或水溶性淬火液改成油性介质；由普通机油改成某种淬火油；由一种淬火油改成另一种淬火油； 由冷油改成热油；在普通机油中加入专配添加剂。这都要根据工厂的情况和变形问题的特点来选定。由于这类改造是不可回复的，费用也较大，应当慎重些。为避免改换上的失误，事先应当对现用淬火液的冷却特性以及需要改成什么样的冷却特性的淬火液才能完成所希望的冷却速度带的变动有充分的了解。对于水性淬火液，主要考虑它的 300 冷速 ，可以根据淬火剂的级别 ( 或可以调节到的级别 ) 来选用。对于淬火油，由于淬裂倾向相当小，需要考虑的是它在淬火过程中的蒸气膜阶段长短，低温冷却速度高低，以及其出现最高冷速的温度和最高冷速值 ( 淬火油的冷却速度分布 ) 。工件的钢种、形状、有效厚度和热处理要求不同，需要相适应的冷却特性分布的油 , 才可以保证其冷却速度带全部落入第冷速区。但有一项经验对选用淬火油 ( 或旧油作油改性 ) 有帮助：对于多数钢种，当淬火油的蒸气膜阶段较短，低温冷速较大 , 以及最高冷速较高时，对保证淬硬和防止变形都很有效。 第四条措施：改换钢种按传统的防止淬火变形措施，换钢种是工件在自来水中淬火发生变形后，改换成淬透性好的钢种，在机油中淬火来控制变形。对这种做法的习惯性解释为：原钢种在自来水中淬火，冷速太快，内应力过大引起了超差的淬火变形。改换成淬透性更好的钢种，由于油中冷得更慢些，内应力减小，因此可以减小淬火变形。这种做法通常有效。而对这种做法的解释则不尽全面。按本文方法做解释，换钢种用油淬火，首先是淬透性更好的钢种有更宽的第冷速区，可以使该工件在油中淬火时的冷却速度带全部落入第冷速区。说那种解释片面，是因为在自来水中淬火发生了超差变形，其原因可能有两种，一是工件的冷却速度带进入或部分伸入了其第冷速区，二是工件的冷速带进入或部分伸入了其第冷速区。当为第一种可能时，可以首先采取第 1 条措施去解决 , 如果解决不了，可采取第 2 条、第 3 条措施，以至再采取换钢种的措施。改换成淬透性更好的钢种成本高，从生产经营和节省合金元素资源上说，都不宜首先采用。当此类工件发生变形的原因是其冷却速度带进入或部分伸入了其第冷速区时，除可以采用第 1 步骤外 , 还可以采取改换成碳量稍高、淬透性稍高的钢种，仍然在原自来水中淬火，同样可以解决淬火变形问题。说那种解释法较片面，还可以从以下情况加以说明。当某工件在普通机油中淬火发生超差变形时，如果变形原因是工件的冷却速度带伸入了第冷速区，再采取那种改用淬透性更好的钢种显然会使问题更严重，而还想找比普通机油冷却更慢的介质，恐怕就只有分级淬火或空冷了。当变形原因是工件的冷却速度带进入了第冷速区时，解决变形问题的方法就应当是改用快速淬火油，对原用的机油做油改性添加，以及采用合适的水性淬火液。综上分析，根据原淬火变形工件的冷却速度带的跨区情况，在采取前 3 步措施仍不能解决问题时才可考虑改换钢种，可以是改成淬透性更好的钢，也可以改用淬透性更差的钢。通常，改换钢种的同时应改换淬火介质。 第五条措施：改变零件结构设计当采取上述四条措施仍无效后，可以考虑用这一种方法。改变零件设计的作用是可以改变零件第 II 区的左右分界线的位置，如减少凹、凸部的尖锐度，使第 II 区的左边界向左移而防止淬火变形或开裂；也可以是减小工件不同部位的厚度差使其冷却速度带变窄而完全进入第 II 冷速区；还有将一个复杂的零件分成几个形状简单、厚度比较均匀的零件 ( 即变成几个冷却速度带容易完全进入第 II 冷速区的零件 ) 等等。 六淬火变形问题 复杂 的原因热处理界通常认为 淬火变形问题很复杂 ， 解决变形问题的措施和方法时灵时不灵。即便把多项措施一起用上去，也不见得就行 。在不少地方，问题确实如此。变形问题搞得这样复杂，原因在哪里呢？用本文前面提出的方法和列出的移动冷却速度带的热处理工艺参数措施，制成控制淬火变形基本措施的作用方向简表如表 1 。表中列出了常见热处理工艺参数变化对冷却速度带的作用方向。比如，淬火加热温度升高，通常使工件淬火硬度升高，相当于使冷却速度带左移；而降低淬火加热温度的作用相反，是使冷却速度带右移。又如，增大工件与介质的相对流速，就会使冷却速度增加，其作用就是使冷却速度带左移，而减小相对流速的作用相反，是使冷却速度带右移等等。 表 1 控制淬火变形基本措施的作用方向简表 基本措施 作用方向 左移 右移 淬火加热温度 提高 降低 淬火油温度 提高 降低 水及水溶液液温 提高 降低 工件与介质的相对流速 增大 减小 改变今禹 8-20 浓度 增大 降低 自来水改成今禹 8-20 自来水改成机油 机油中加入专配添加剂 机油改成专用淬火油 所有表列参数的增减引起冷却速度带的变化都分左移和右移两种。由于这些参数可以用来改变工件的淬火变形，也就都是解决变形问题的措施。显然，需要同时采取几种措施来解决工件的淬火变形问题时，只能把作用方向一致的措施用上。把作用方向相反的几种措施同时用于解决一个变形问题，其结果就很难说了，或许能解决变形问题、或许无效果、也或许会使工件的变形进一步增大。过去认为变形问题很复杂，解决问题的措施不灵等，原因是不明白各措施的作用方向，也不知道如何有方向地移动工件的冷却速度带。按本文提出的分析方法，找到所解决的变形问题需要向哪个方向移动冷却速度带，再根据具体情况，由简单到复杂，由成本低到成本高地把同方向的措施加上去，直到使冷却速度带完全进入其第 II 冷速区，问题也就解决了。 七解决淬火变形问题的途径和措施汇总表在说明了解决淬火变形问题的思路、目标、措施之后，为增强理解，便于灵活应用，有必要再做一次汇总。1 解决问提的途径本文解决淬火变形的途径不外两类。一类是移动或收缩冷却速度带，使其完全落入该工件的第 II 冷速区，如图 13 所示。另一类途径是移动第 II 区的边界，直到把工件的冷却速度带框进去，如图 14 所示图 13 移动或收缩冷却速度带使其完全落入第 II 区图 14 移动第 II 区的边界把冷却速度带框进去2 解决问题的措施讨论过的措施可以如表 2 所示分成三类。 表 2 解决变形的措施分类表 类 别 性 质 作 用 一类 热处理工艺 移动和收缩冷却速度带使完全落入第 II 区中 二类 钢材成分控制和钢种改换 移动第 II 区边界把工件的冷却速度带框进去 三类 修改零件设计 同时改变第 II 区分界线和移动收缩冷却速度带使其框入或进入第 II 区中 其中，第一类措施是整体或局部移动冷却速度带的措施，主要是热处理工艺方法有关的条件和参数变化，如表 1 所示。第二类措施是能移动第 II 区边界的措施。通过有目的和方向的移动边界，直到把工件的冷却速度带完全框进其第 II 冷速区中。属于这类的具体措施包括 :a 改善钢的预备组织； b 控制钢的化学成分； c 改换钢种； d 消除内应力等。第三类措施是可能同时起到移动冷却速度带和第 II 区边界的措施，主要包括改变零件设计方面的措施。这些措施有 :a 减小零件上的应力集中，使 I 、 II 区分界线向左移； b 减小不同部位的厚度差，使冷却速度带变窄； c 改善零件的对称性，使 II 区变宽； d 做成分体式，把问题简单化。新闻中心 行业新闻工件的热处理变形：主要是由于热处理应力造成的。工件的结构形状、原材料质量、热处理前的加工状态、工件的自重以及工件在炉中加热和和冷却时的支承或夹持不当等因素也能引起变形。 凡是牵涉到加热和冷却的热处理过程,都可能造成工件变形。但是,淬火变形对热处理质量的影响最大。严重的淬火变形往往很难通过最后的精加工加以修正,即使对淬火变形的工件能够进行校正和机加工修整,也会因而增加生产成本。工件热处理后的不稳定组织和不稳定的应力状态,在常温和零下温度,长时间放置或使用过程中,逐渐发生转变而趋于稳定,也会伴随引起工件的变形,这种变形称为时效变形。时效变形虽然不大,但是对于精密零件和标准量具也是不允许的。 工件的热处理变形分为尺寸变化(体积变形)和形状畸变两种形式。尺寸变形归因可相变前后比体积差引起工件的体积改变,形状畸变则是由于热处理过程中,在各种复杂应力综合作用下,不均匀的塑性变形造成的。这两种形式的变形很少单独存在,但是对具体工件和热处理工艺,可能以一种形式的变形为主。1工件热处理的尺寸变化工件在热处理加热和冷却过程中,由于相变引起的体积差造成的体积变形。2工件热处理的形状畸变工件热处理的形状畸变有多种原因。加热过程中残余应力的释放,淬火时产生的热应力、组织应力以及工件自重都会使工件发生不均匀的塑性变形而造成形状畸变。工件细长，炉底不平，工件在炉中呈搭桥状态放置时,当加热至奥氏体化温度下保温过程中,常因自重产生蠕变畸变,这种畸变与热处理应力无关。工件在热处理前由于各种原因可能存在内应力,例如,细长零件经过校直,大进给量切削加工,以及预先热处理操作不当等因素,都会在工件中形成残余应力。热处理加热过程中,由于钢的屈服强度随温度的升高而降低,当工件中某些部位的残余应力达到其屈服时,就会引起工件的不均匀塑性变形而造成形状畸变和残余应力的松弛。加热时产生的热应力,受钢的化学成分、加热的速度、工件的大小形形状的影响很大。导热性差的高合金钢,加热速度过快,工件尺寸大、形状复杂、各部分厚薄不均匀,会致使工件各部分的热膨胀程度不同而形成很大的热应力,导致工件不均匀塑性变形,从而产生形状畸变。 与工件加热时情况相比,工件冷却时产生的热应力和组织应力对工件的变形影响更大。热应力引起的变形主要发生在热应力产生的初期,这是因为冷却初期工件内部仍处于高温状态,塑性好,在瞬时热应力作用下,心部因受多向压缩易发生屈服而产生塑性变形。冷却后期,随工件温度的降低，钢的屈服强度升高,相对来说塑性变形变得更加困难,冷却至室温后,冷却初期的不均匀塑性变形得以保持下来造成工件的变形。3热处理变形的一般规律淬火变形的趋势A. Ms以上时,变形主要由热应力所引起1.高度大于直径的圆柱体状工件-高度缩短,直径变粗,最终造成腰鼓状变形。2.直径大于厚度的圆盘件-厚度增大,直径缩小。3.壁厚小于高度的带圆孔的圆(方)孔柱体-内孔收缩,外径增大,高度缩短(壁厚显腰鼓状)。4.壁厚小于高度的带圆孔的圆(方)孔扁体-内孔收缩,外径增大(壁厚显腰鼓状)。正方体-趋向球形。B.Ms以下时,变形主要由瞬时组织应力所引起工件变形的趋势是沿最大尺寸方向伸长,沿最小尺寸方向收缩,表面内凹,棱角变尖。对于长度大于直径的圆柱体工件,具体表现为心部被拉长,直径变细,长度增加。壁厚小于高度的带圆孔的圆(方)孔柱体-内孔胀大,外径收缩,高度增加(壁厚反腰鼓状)。壁厚小于高度的带圆孔的圆(方)孔扁体-内孔增大,外径收缩(壁厚显反腰鼓状)。正方体-平面内凹,棱角突出。实际生产中,淬火冷却时既有瞬时热应力,也有瞬时组织应力,由于它们引起的变形相反，工件最终的变形,是两种应力引起的变形叠加。4影响热处理变形的因素 工件在热处理过程中体积和形状的改变,是由于模具钢中组织转变时的比体积变化所引起的体积膨胀,以及热处理应力引起的塑性变形所造成。因此,热处理应力愈大,相变愈不均匀,则变形愈大,反之则小。为减小变形,必须力求减小淬火应力和提高钢的屈服强度。化学成分对热处理变形的影响 模具钢材的化学成分通过影响钢的屈服强度、Ms点、淬透性、组织的比体积和残余奥氏体量等影响工件的热处理变形。 模具钢材的碳含量直接影响热处理后所获得的各种组织的比体积(室温下不同组织的比体积与碳含量间的关系-图略 , 碳钢的碳含量与Ms点和残余奥氏体之间的关系-图略)随着钢的碳含量的增加,马氏体的体积增大,屈服强度升高。淬透性和马氏体比体积的增大,增大了淬火组织应力和热处理变形;而残余奥氏体量的增多和屈服强度的升高,减小了比体积变化,导致组织应力下降和热处理变形的减小。碳含量对工件热处理变形的影响是上述矛盾因素综合作用的结果。碳含量对淬火时体积变化量的影响 (试样尺寸:25*100) 钢号淬火温度淬火介质高度变化直径中间处两端处0894014C水 - 0.06+ 0.07- 0.1455820 14C水+0.38 - 0.02+ 0.21T1078014C水- 0.05+ 0.18+ 0.12 08钢试样的淬火变形趋势是长度缩短,试样中部直径增大,端部直径缩小,呈腰鼓状,这是因为虽然低碳钢Ms点高,发生马氏体相变时,钢的屈服强度低,塑性好,易变形,但是由于马氏体比体积小,组织应力不大,不会引起大的塑性变形,相反热应力引起的变形量相对较大,最终表现为热应力型变形。 55钢试样,组织应力成为引起变形的主导因素,结果试样的变形为中部直径缩小,端部直径增大,长度增大。 当碳的质量分数进一步增加到0.8以上时,由于Ms点的降低,残余奥氏体量的增加,其变形又呈长度缩短,直径增大的热应力型变形。并且由于高碳钢屈服强度的升高,其变形量要小于中碳钢。对碳素钢来说,在大多数情况下,以T7A钢的变形量为最小。当碳的质量分数大于0.7时,多趋向于缩小;但碳的质量分数小于0.7时,内径、外径都趋向于膨胀。 一般来说,在完全淬透的情况下,由于碳素钢的Ms点高于合金钢的Ms点,其马氏体相变在较高温度下开始。由于钢在较高温度下具有较好的塑性,加之碳素钢本身屈服强度相对较低,因而带有内孔(或型腔)类的碳素钢件,变形较大,内孔(或型腔)趋于胀大。合金钢由于强度较高,Ms点较低,残余奥氏体量较多,故淬火变形较小,并主要表现为热应力型的变形,其钢件内孔(或型腔)趋于缩小。因此,在与中碳钢同样条件下淬火时,高碳钢和高合金钢工件往往以内孔收缩为主。 合金元素对工件热处理变形的影响主要反映在对钢的Ms点和淬透性的影响上。大多数合金元素,例如,锰、铬、硅、镍、钼、硼等，使钢的Ms点下降,残余奥氏体量增多,减小了钢淬火时的比体积变化和组织应力,因此,减小了工件的淬火变形。合金元素显著提高钢的淬透性,从而增大了钢的体积变形和组织应力,导致工件热处理变形倾向的增大。此外,由于合金元素提高钢的淬透性,使临界淬火冷却速度降低,实际生产中,可以采用缓和的淬火介质淬火,从而降低了热应力,减小了工件的热处理变形。硅对Ms点的影响不大,只对试样变形起缩小作用;钨和钒对淬透性和Ms点影响也不大,对工件热处理变形影响较小。故工业上所谓微变形钢,均含有较多量的硅、钨、钒等合金元素。原始组织和应力状态对热处理变形的影响 工件淬火前的原始组织,例如,碳化物的形态、大小、数量及分布,合金元素的偏析,锻造和轧制形成的纤维方向都对工件的热处理变形有一定影响。球状珠光体比片状珠光体比体积大,强度高,所以经过预先球化处理的工件淬火变形相对要小。对于一些高碳合金工具钢,例如,9Mn2V、CrWMn和GCr15钢的球化等级对其热处理变形开裂和淬火后变形的校正有很大影响,通常以2.5-5级球化组织为宜。调质处理不仅使工件变形量的绝对值减小,并使工件的淬火变形更有规律,从而有利于对变形的控制。 条状碳化物分布对工件的热处理变形有很大影响。淬火后平行于碳化物条带方向工件膨胀,与碳化物条带相垂直的方向则收缩,碳化物颗检愈粗大,条带方向的膨胀愈大。对于Cr12类型钢和高速钢等莱氏体钢来说,碳化物的形态和分布对淬火变形的影响尤为显著。由于碳化物的热膨胀系数小,约为基体的70,因而在加热时,沿条带状分布的碳化物方向上,膨胀较小的碳化物抑制了基体的伸长,而冷却时,收缩较小的碳化物又会阻碍基体的收缩。由于奥氏体化加热温度较缓慢,碳化物对基本膨胀的抑制作用较弱,故条带状分布的碳化物对工件淬火加热变形的方向性影响较小;但在淬火冷却时,由于冷却速度快,碳化物对基体收缩的抑制作用增大,所以淬火后沿碳化物条带方向呈现较大的伸长。 经过轧制和锻造的材料,沿不同的纤维方向表现出不同的热处理变形行为。纤维方向不明显的正火态试样沿纵、横方向的尺寸变化差别较小;而退火态试样,有明显带状组织存在时,沿纤维方向和垂直于纤维方向的尺寸变化则显著不同。锻造比较大,纤维方向明显时,沿纤维方向的纵向试样尺寸变化率大于垂直于纤维方向的横向试样的尺寸变化率。 过共析钢存在网状碳化物时,在网状碳化物附近,碳和合金元素大量富集,在离网状碳化物较远的部位,碳和合金元素较低,结果增大了淬火组织应力,使淬火变形增大甚至开裂。因此,过共析钢的网状碳化物必须通过恰当的预先热处理予以消除。 另外,钢锭的宏观偏析常造成钢料横截面上的方形偏析,这种偏析往往造成圆盘状零件的不均匀淬火变形。总之,工件的原始组织愈均匀,热处理变形愈小,变形愈有规律,愈易于控制。 淬火前工件本身的应力状态对变形有重要影响。特别是形状复杂,经过大进给量切削加工的工件,其残余应力若未经消除,对淬火变形有很大影响。工件几何形状对热处理变形的影响 几何形状复杂,截面形状不对称的工件,例如带有键槽的轴,键槽拉刀、塔形工件等,淬火冷却时,一个面散热快,另一面散热慢,是一种不均匀的冷却。如果在Ms以上的不均匀冷却引起的变形占优势,则冷却快的一面是凹面, 若在Ms以下的不均匀冷却引起的变形占优势,则冷却快的一面是凸面,增加等温时间,增长贝氏体转变量,使残余奥氏体更加稳定,减小空冷中的马氏体转变量,可使工件的变形量显著减小。工艺参数对热处理变形的影响 无论是常规热处理还是特殊热处理,都可能产生热处理变形,分析热处理工艺参数对热处理变形的影响时,最重要的是分析加热过程和冷却过程的影响。加热过程的主要参数是加热的均匀性、加热温度和加热速度。冷却过程的主要参数是冷却的均匀性和冷却速度。不均匀冷却对淬火变形的影响与工件截面形状不对称造成的不均匀冷却情况相同,本节主要讨论其它工艺参数的影响。不均匀加热引起的变形-加热速度过快、加热环境的温度不均匀和加热操作不当均能引起工件的不均匀加热。加热的不均匀对细长工件或薄片件的变形影响十分显著。这里说的不均匀加热并不是指工件表面和心部在加热过程中不可避免的温度差,而是特指由于种种原因工件各部分存在的温度梯度的情况。为了减小不均匀加热引起的变形,对于形状复杂或导热性较差的高合金钢工件,应当缓慢加热或采用预热。但是应当指出,虽然快速加热能导致长轴类工件和薄片状板件变形度的增加;然而,对于体积变形为主的工件,快速加热往往又能起到减小变形的作用。这是因为当只有工件的工作部位需要淬火强化时,快速加热可使工件心部保持在温度较低强度较高的状态下,工作部分即能达到淬火温度。这样强度较高的心部就能阻止工件淬火冷却后产生较大变形。另外,快速加热可以采用较高的加热温度和较短的加热保温时间,从而可以减轻由于在高温阶段长时间停留因工件自重产生的变形。快速加热仅使工件表层和局部区域达到相变温度,相应地减小了淬火后的体积变化效应,这也有利于减小淬火变形。加热温度对变形的影响-淬火加热温度通过改变淬火冷却时的温差,改变淬透性、Ms点和残余奥氏体的数量而对淬火变形发生影响。提高淬火加热温度,增加了残余奥氏体量,使Ms点降低,组织应力引起的变形减小,使套类工件的孔腔趋于缩小;但另一方面,淬火加热温度的提高了淬透性,增大了淬火冷却时的温差,提高了热应力,有使内孔胀大的倾向。实践证明,对于低碳钢制工件,若正常加热温度淬火后内孔收缩,提高淬火加热温度收缩的更大,为了减小收缩,要降低淬火加热温度;对于中碳合金钢制的工件,若正常加热温度淬火后内孔胀大,则提高淬火加热温度胀的更大,为了减小孔腔的胀大,也需降低淬火加热温度。对于Cr12型高合金模具钢,提高淬火加热温度,使残余奥氏体量增多,孔腔趋于缩小。淬火冷却速度对变形的影响-一般来说,淬火冷却愈激烈,工件内外和不同部位(截面尺寸不同的部位)温差愈大,产生的内应力愈大,导致热处理变形增大。(150长*100宽*50高)的热作模具钢制试样经不同冷却速度淬火回火的变形情况。三种介质的冷却速度以油冷最快,热浴冷却次之,空冷最慢。工件经三种不同冷速淬火后,其长度和宽度的变形皆倾向于收缩,变形量差别不大;但在厚度方向上冷速慢的空冷淬火和热浴淬火引起的变形则小得多,其变形胀大小于0.05,而油淬发生收缩变形,其最大变形量达0.28左右。然而,当冷却速度的改变使工件的相变发生变化时,冷却速度的增大却并不一定会引起变形的增大,有时反而会使变形减小。例如,当低碳合金钢淬火后由于心部含有大量铁素体而发生收缩时,增大淬火冷却速度心部得到更多的贝氏体可以有效的减小收缩变形。相反,若工件淬火后因心部获得马氏体而胀大时,减小冷却速度从而减小心部的马氏体相对量又能使胀大减小。淬火冷却速度对淬火变形的影响是一个复杂的问题,但原则是在保证要求的组织和性能的前题下,应尽量减小淬火冷却速度。时效与冷处理对热处理变形的影响-对于精密零件和测量工具,为了在长期使用过程中,保持精度和尺寸稳定,往往需要进行冷处理和回火,以便使其组织更加稳定,因此,了解回火工艺和冷处理对工件在时效过程中的变形规律,对于提高这类工件的热处理质量有重要意义。冷处理使残余奥氏体转变为马氏体导致体积膨胀;低温回火和时效一方面促使-碳化物析出和马氏体分解使体积收缩,另一方面引起一定程度的应力松驰导致工件产生形状畸变。钢的化学成分,回火温度和时效温度是影响时效过程中工作变形的主要因素。化学热处理工件的变形-化学热处理工件的表面和心部成分和组织不同,具有不同的比体积和不同的奥氏体等温转变曲线,因此,其热处理变形的特点和规律不同于一般工件。化学热处理工件的变形校正工作更难以进行。化学热处理可以分为两类:一类在高温奥氏体状态下进行渗碳,热处理过程中有相变发生,工件变形较大。另一类在低温铁素体状态下进行渗氮,热处理过程中除因渗入元素进入渗层形成新相外,不发生相变,工件变形较小。渗碳工件的变形-渗碳工件通常用低碳钢和低碳合金钢制造,其原始组织为铁素体和少量珠光体,根据工件的服役要求,工件经过渗碳后需要进行直接淬火、缓冷重新加热淬火或二次淬火。渗碳工件在渗碳后缓冷和渗碳淬火过程中由于组织应力和热应力的作用而发生变形,其变形的大小和变形规律取决于渗碳钢的化学成分、渗碳层深度、工件的几何形状和尺寸以及渗碳和渗碳后的热处理工艺参数等因素。 工件按其长度、宽度、高度(厚度)的相对尺寸可以分为细长件、平面件和立方体件。细长件的长度远大于其横截面尺寸,平面件的长度和宽度远大于其高度(厚度),立方体三个方向的尺寸相差不大。最大热处理内应力一般总是产生在最大尺寸方向上。若将该方向称为主导应力方向,则低碳钢和低碳合金钢制造的工件,渗碳后缓冷或空冷心部形成铁素体和珠光体时,一般沿主导应力方向表现为收缩变形,收缩变形率约为0.08-0.14。钢的合金元素含量增加、工件的截面尺寸减小时,变形率也随之减小,甚至出现胀大变形。 截面厚度差别较大形状不对称的细长杆件,渗碳空冷后易产生弯曲变形。弯曲变形的方向取决于材料。低碳钢渗碳工件冷却快的薄截面一侧多为凹面;而12CrN3A、18CrMnTi等合金元素较高的低碳合金钢渗碳工件,冷却快的薄截面一侧往往为凸面。 低碳钢和低碳合金钢制造的工件经过920-940C温度下渗碳后,渗碳层碳的质量分数增加至0.6-1.0,渗碳层的高碳奥在体在空冷或缓冷时要过冷至Ar1以下(600C左右)才开始向珠光体转变,而心部的低碳奥氏体在900C左右即开始析出铁素体,剩余的奥氏体过冷至Ar1温度以下也发生共析分解转变为珠光体。从渗碳温度过冷至Ar1温度,共析成分的渗碳层未发生相变,高碳奥氏体只随着温度的降低而发生热收缩,与此同时,心部低碳奥氏体却因铁素体的析出比体积增大而发生膨胀,结果心部受压缩应力,渗碳层则受拉伸应力。由于心部发生-转变时,相变应力的作用使其屈服强度降低,导致心部发生压缩变形。低碳合金钢强度较高,相同条件下心部的压缩塑性变形量较小。 形状不对称的渗碳工件空冷时,冷却快的一侧奥氏体线长度收缩量大于冷却慢的一侧,因而产生弯曲应力,当弯曲应力大于冷即慢的一侧的屈服强度时,则工件向冷却快的一侧弯曲。对于合金元素含量较高的低碳合金钢,渗碳后表层具有高碳合金钢的成分,空冷时冷却快的一侧发生相变,形成硬度较高、组织比体积较大的新相,而另一侧因冷即较慢形成的新相硬度较低,故出现相反的弯曲变形。 渗碳工件的淬火变形规律可以用相同的方法分折。渗碳件的淬火温度通常为800-820C,淬火时渗碳层的高碳奥氏体从渗火温度冷却至Ms点温度区间内将发生明显的热收缩;而同时心部低碳奥氏体转变为铁素体和珠光体、低碳贝氏体或低碳马氏体。不论转变为何种组织,心部都因组织比体积的增大而发生体积膨胀,结果在渗碳层与心部产生较大的内应力。一般来说,未淬透的情况下,由于心部的相变产物为屈服强度较低的铁素体和珠光体,因而心部在渗碳层热收缩压应力作用下,沿主导应力方向产生收缩变形;当心部的相变产物为强度较高的低碳贝氏体和低碳马氏体对,表层高碳奥氏体则在心部胀应力作用下产生塑性变形,结果主导应力方向而胀大。 随着渗碳钢碳含量和合金元素含量的增加,渗碳件淬火后心部硬度升高,主导应力方向胀大倾向增大。当心部硬度为28-32HRC时,渗碳工件的淬火变形很小。随着心部硬度的升高,胀大变, 形倾向增大。很明显,提高渗碳件的淬透性等凡导致渗碳工件心部硬度升高的因素,都会增大渗碳工件沿主导应力方向的胀大倾向。渗氮工件的变形-渗氮能够有效地提高工件表面的硬度和抗疲劳性,并能在一定程度上改善其耐蚀性。渗氮温度较低,约为510-560C,钢铁材料在渗氮过程中,基本金属不发生相变,因此,渗氮工件变形较小。渗氮一般是热处理的最后一道工序,工件在渗氮之后,除了高精度的工件还要进行研磨加工外,一般不再进行其他机械加工,因此,渗氮被广泛用来处理要求硬度高而变形小的精密零件。尽管如此,渗氮工件仍会产生变形。由于氮原子的渗入,使渗氮层的比体积增大,因此,渗氮工件最常见的变形是工件表面产生膨胀,由于表面渗氮层的胀大受到心部的阻碍,表层受到压应力,心部受拉应力作用。内应力的大小受零件截面大小、渗氮钢的屈服强度、渗氮层氮浓度及渗氮层深度等因素的影响。当工件截面尺寸较小,截面形状不对称、炉温和渗氮不均匀时,渗氮工件也会产生尺寸变化或弯曲与翘曲变形等形状畸变。 轴类零件经过渗氮后其变形规律是外径胀大,长度伸长。径向胀大量通常随工件直径的增大而增艾,但最大胀大量不超过0.055mm。长度伸长量一般大于径向胀大量,其绝对值随轴的长度增大而增大,但不随轴的长度变化而成比例的变化。渗氮的套类工件的变形取决于壁厚,壁厚薄时,内外径都趋向于胀大,随着壁厚的增大,胀大量减小,壁厚足够大时,内径有缩小的趋势。 一般情况下,当工件的有效截面尺寸大于50mm时,渗氮处理的主要变形方式是表面膨胀。但随着工件横截面积的减小,当渗氮层的截面积与心部截面积之比大于0.05小于0.7时,除了表面膨胀外,还必须考虑内应力引起的变形,沿工件主导应力方向的变形量可以用经验公式近似予以估算: L=(/)L-主导应力方向长度的增加; -系数,取决于材料和渗氮工件横截面的形状;-渗氮层的横截面积; -心部的横截面积。常用渗氮钢的值工件横截面形状 38CrMoALA 40CrNiMo 圆形 0.3 0.15 方形 0.4 0.2五热处理变形的校正热处理变形的校正-工件的热处理变形可以在一定程度上加以控制和减小,但是不能够完全避免。机械校正法-采用机械或局部加热的方法使变形工件产生局部微量塑性变形,同时伴随着残余内应力的释放和重新分布达到校正变形的目的。常用的机械校正法有冷压校正、淬火冷却至室温前的热压校正、加压回火校正、使用氧-乙炔火焰或高频对变形工件进行局部加热的”热点”校正、锤击校正等。机械校正的零件在使用、放置过程中或进行精加工时,由于残余应力的衰减和释放可能部分地恢复原来的变形和产生新的变形。因此,对于承受高负荷的工件和精密零件,最好不要进行机械校正。必须进行机械校正时,校正达到的塑性应变应该超过热处理变形的塑性应变,但校正塑性变形量必须控制在很小的范围内,一般应大于弹性极限应变的10倍,小于条件强度极限的十分之一。校正要尽可能在淬火后应即进行,校正后应进行消除残余应力处理。热处理变形工件的校正,要求操作者具有熟练的技术并很费工时,因此,校正自动化是热处理工作者的一项重要任务。热处理校正法-对于因热处理胀大或收缩变形而尺寸超差的工件,可以重新使用适当的热处理方法对其变形进行校正。 常用的热处理校正法有在Ac1温度下加热急冷法对胀大变形的工件进行收缩处理-工件不发生组织比体积变化的相变,因此,不会产生组织应力,只产生因心部和表面热收缩量不同而形成的热应力。急冷时工件表面急剧收缩对温度较高塑性较好的心部施以压应力,使工件沿主导应力方向产生塑性收缩变形,这是热处理收缩处理的机理。钢的化学成分不同,其热传导和热膨胀系数不同,在Ac1温度下加热后,钢的塑性和屈服强度也不相同,靠热应力所能达到的塑性收缩变形效果不尽相同,一般碳素钢和低合金钢的收缩效果比较明显,高碳高合金钢的收缩效果则比较差。 收缩处理的加热温度应根据Ac1选择,应保证在水中激冷时不淬硬为原则,对奥氏体稳定性差的碳钢可采用稍高于Ac1的温度,以利用相变温度区的相变超塑性达到最大的收缩效果。各类钢的加热温度是;碳素钢 Ac120Ac1+20C 低合金钢 Ac120Ac1+10C低碳高合金钢(1Cr13 、2Cr13 、18Cr2Ni4WA等) Ac130Ac1+10C奥氏体型耐热耐蚀钢 8501000C 加热时间应保证工件充分热透,冷却以食盐水激冷为最好。Ac1温度下加热急冷收缩处理法,可以收缩处理各种不同形状的工件,如环形工件的内孔和外圆,扁方工件的孔、孔距尺寸及外形尺寸,轴类工件的长度以及某些需要局部尺寸收缩的工件等。淬火胀大法对收缩变形的工件进行胀大处理-主要适用于形状简单的工件。其原理是利用淬火时工件表层发生马氏体相变时比体积增大,对尚未发生马氏体相变或未淬透的心部施以拉应力,通过心部拉伸塑性变形达到工件沿主导应力方向胀大的目的。对于低中碳钢和低中碳合金结构钢制造的工件,使用常规淬火加热温度的上限加热水淬时,在工件淬透或半淬透的情况下,可使主导应力方向胀大0.200.50。形状简单的工件可以左或稍高于Ac1温度下加热正火后,重复淬火12次。CrMn、9CrSi、GCr15、CrWMn等过共析合金工具钢件,在原来未淬透的情况下,可按常规热处理规范的上限加热温度加热,并尽可能淬透或获得较深淬硬层,可使工件沿主导应力方向胀大0.150.20。淬火后应经240-280C回火,这类钢的淬火胀大变形主要靠淬火时马氏体相变的比体积增大,故胀大变形量有限,并有淬裂的危险。高鉻铸铁、高中碳耐磨钢在PQG水溶性聚合物淬火剂中的淬火工艺 南京洲联新产品技术研究所南京洲联工业介质有限公司 前言：高鉻铸铁和一些高中碳耐磨钢零件，由于材料本身的化学成分，决定这些材料都具有很大的淬透性和淬硬性。因此一些生产厂家，在淬火加热后，往往采用空冷，风冷或喷雾冷却。但这样淬火以后的零件之间，其内部组织和性能不可能均匀、一致，性能的分散性很大。为获得均匀一致内部组织，零件之间，不同炉批零件之间性能的均一性，应将加热后的零件，放在PQG淬火剂水溶液中冷却，可获得比空冷、风冷更均匀一致的组织和性能。一、 PQG水溶性淬火剂特性1，基本特性：PQG是烯类聚合物，无限溶解于水。供应态PQG淬火剂为粘稠液体，色微黄，比重略大于水，弱碱性。由于分子链之间键合力很强，在淬火冷却使用中不易断链，耐老化，使用寿命长，一槽100m3 水溶液，使用12年，从未彻底更换槽液，只有正常添加水和母液的调整。2， 淬火介质冷却性能：高鉻耐磨铸铁和大淬透性耐磨钢淬火用的淬火介质，是在水中加入15%25%的PQG淬火剂母液。这种水溶液的冷却强度，在高温阶段与46号机械油接近，低温阶段冷却速度比机械油的冷却速度更小，有利于淬硬而不易导致开裂。若在水中添加15%25%PQG淬火剂母液，水溶液的冷却能力远小于机械油而大于空气冷却速度。因此，原来用空冷工艺改在PQG淬火剂水溶液中冷却，耐磨件的组织和性能不仅改善、提高，而且性能的不均匀性、分散性会大大降低。二、简要工艺含15%20%Cr、含碳不过高的铸铁，浇铸态通常为白口。零件应随炉升温，加热至9801030，保温46小时，即可出炉入20%PQG淬火剂溶液中淬火冷却，一直冷到介质温度，零件出水，可不回火直接装机使用,此状态下的硬度值通常在HRC5965之间。三、淬火介质管理1， 淬火介质配制：对于圆形、正方形、长方形规则形状淬火槽，可按高度配制淬火介质。例如,若配置25%浓度的PQG淬火剂水溶液,淬火介质液面总高为3米，应先入30.75米=2.25米高度的水，再倒入30.25=0.75米高度的PQG淬火剂母液，搅拌均匀，即可使用。2， 介质使用温度：随工件在介质中冷却，工件热量传导给淬火介质，并引起淬火介质温度升高，介质温度升高，冷却能力下降，对于高鉻铸铁，有时要求淬火介质冷却能力小。淬火介质的使用温度从2070均可冷却高鉻铸铁等大淬透性的材质工件。3， 浓度测定：随淬火生产进行，原配PQG淬火剂溶液浓度会发生一些变化（通常会降低）。这种变化用折射仪可以精确测定，只要将浓度控制在某工程范围内，耐磨工件的淬火冷却性能就是稳定可靠的。4， 搅拌：温和搅拌即可。5， 淬火槽结构：焊接钢板或整浇水泥结构均可。PQG淬火剂水溶液绝无腐蚀钢板现象。关于更多高鉻铸铁和一些高中碳耐磨钢零件的淬火工艺，和使用注意事项，欢迎来电垂询！淬火油添加剂对一些常用淬火油冷却特性的影响南京洲联新产品技术研究所南京洲联工业介质有限公司王于林摘要：用纯银探头对一些常用淬火油冷却特性进行了测试。测试结果表明：快速淬火油添加剂对新淬火油和老淬火油的冷却特性均有明显改善，大大地提高了淬火油的冷却速度。 关键词：淬火油 冷却特性 快速淬火油添加剂1 引言在热处理生产中，采用不同类型的油品作为冷却介质的现象较为普遍，如较多厂家选用N32机械油，有些厂家选用NI5机械油，少数厂家选用柴油，亦有一些厂家选用快速或快速光亮淬火油。但这些不同的油品作为冷却介质时，在冷却特性上有何差异，选择得是否恰当，怎样提高所选油品的冷却特性?尤其是选用油品经过一段时间使用后，冷却特性发生哪些不良变化导致油发生老化?老化油的冷却特性如何恢复和提高?最简便可行的办法是在油中加入快速淬火油添加剂，问题是加入什么样的添加剂，加量是多少，可使老化油或新油的冷却特性加以改善、恢复和提高?对这些问题全面深入的了解，有助于正确地选择油品介质，合理地使用油品介质。 本文就几种常用新、老淬火油，在含与不含添加剂的情况下对冷却特性进行对比测试，对测试结果进行分析，提出提高和改进措施。 2 测试方法与条件2.1 测试系统 系统中的敏感元件，采用对冷却全过程反映灵敏的1O3O(mm)带柄纯银探头，其纵向中心孔(2mm)末端在探头本体的几何中心。中心孔内压有镍铬镍硅热偶与中心孔的末端连接。探头在加热和冷却过程中反映冷却特性的热偶电信号，经放大后传输给电脑。电脑按900min点采集温度和时闻数据，并按一定公式运算，给出时间温度冷却速度对应关系以及最大冷却速度及其对应的温度。加热银探头的炉子为1kw的立式管状炉，控温为800土2。 2.2 测试油介质的品种及条件新油有：N32、N15和0号柴油。老化油有：N32陈油、机械油与柴油混合油的陈油和快速光亮淬火油陈油。测试油用量为1000ml，容器置于管状炉管的下端。测试时的油温为室温、5O和7O。探头在油中冷却时，探头与油介质无相对运动。采用的快速淬火油添加剂为油溶性烯烃类高分子聚合物，油中的加入量为7%8%，按体积比加入，搅拌均匀。3 测试结果及分析3.1 测试结果所述油品冷却特性测试的参数有：最大冷却速度(Vm)，即探头金属在油中冷却，油蒸气膜破裂造成快速冷却时探头中心冷却速度的最大值。最大冷却速度对应温度(Tcm)，即最大冷却速度时探头金属中心所处的温度。特性温度(Tc)，即探头金属表面油蒸气膜开始沸腾、开始快速冷却的温度。300时的冷却速度(V300 )，即探头金属中心冷到300时的中心冷却速度。300时的冷却时间，即探头由加热温度冷至300时所需的时间(t300)。从冷却特性方面评判淬火油的优劣，则希望Vm、Tcm、Tc数值尽可能地大，而V300和t300数值要尽可能地小。一些油品介质冷却特性参数的测试结果如表1所示。 一些油品介质冷却特性参数油品介质名称油温最大冷速/S最大冷速对应温度（）特性温度（）300冷速(/S)冷至300时间(S)新N32#251704655141413新N32#+8%OT-1274566634425.2新N32#702134775193912.7新N32#+8%OT-1292510625347陈N32#201524284902710.7陈N32#+7%OT-1193506617296.9陈N32#70213489437326.9陈N32#+7%OT-1280515610375.3新N15#251874345176611.4新N15#+8%OT-1257472633377.4新N15#501884255172011.4新N15#+8%OT-1260473649305陈混合油251914965201810.6陈混合油+8%OT-1253520608147.1陈混合油701975045542912陈混合油+8%OT-1280525638219.4新0#柴油2022532441515710.5新0#柴油+8%OT-12994265701605.5陈快速光亮油25198483574103(400)7.3(400)陈快速光亮油+7%OT-1256553614170(400)3.8(400)陈快速光亮油70248498594171(400)4(400)陈快速光亮油+7%OT-1324522624171(400)3.9(400)3.2 结果分析 3.2.1 N32机械油 这种油是热处理生产中油淬工艺采用最普遍的淬火油。新油优点是闪点较高(150)，流动性适中，不易老化，低温冷却速度V300小。但最大冷却速度Vm不大，对应温度也不高，是很大的缺点，对尺寸较大或淬透性差的钢的淬火硬度和淬硬深度都不利。在新32号油中加入8%快速淬火油添加剂，可非常明显地提高Vm、Tcm和Tc值，同时保持很小的V300和t300值，因而在明显提高冷却能力、提高淬火硬度和淬透深度的同时，保持淬火变形小及不易淬火开裂的优点。 N32油经长期使用，由于油在高温下发生氧化与聚合作用，使油的粘度增大，流动性变差，热传导作用减弱。反映在Vm、Tc和Tcm数值上都有明显减小，对实现淬火目的不利。老化严重时，会使钢达不到应有的淬火要求