熱處理淬火變形因素的探討與教學

陳 芳

摘要:熱處理淬火變形是導致工件精度不能提高的重要原因之一,在產品質量要求不斷提高的今天,如何將熱處理淬火變形減小到最低程度,已是我們必須面對的重要課題。熱處理界通常認為“淬火變形問題很復雜”,這主要是因為影響淬火變形的因素很多,本文就熱處理淬火變形的主要因素進行了探討。

關鍵詞:熱處理;淬火變形;因素

在實際生產中,影響淬火熱處理變形的因素有很多,其中主要包括鋼的原始組織、零件尺寸和形狀、淬火介質的選擇、淬火工藝、鋼的淬透性等。

一、 鋼的淬透性對零件淬火熱處理變形的影響

淬透性不同的鋼材,淬火后得到的淬硬層深度也不同,鋼的淬透性與鋼的臨界冷卻速度有密切的關系,臨界冷卻速度越低,鋼的淬透性越好。因此淬透性好的鋼,在淬火冷卻時就可采用比較緩和的淬火介質,從而有效減少工件淬火的變形及開裂傾向。鋼的淬透性主要取決于鋼本身的內在因素,即鋼的化學成分和奧氏體的狀態。凡是能增加過冷奧氏體穩定性的因素都能提高鋼的淬透性。例如,鋼中加入合金元素Mn、Cr、Si、Ni等,當它們溶入γ-Fe后,就能增加過冷奧氏體的穩定性,降低臨界冷卻速度,從而使鋼的淬透性提高。因此,在機械制造中,對于形狀復雜的、受力較大的或大截面的重要零件應選擇淬透性好的合金鋼,經淬火及回火處理,既能獲得所需要的力學性能,又能減少變形及開裂。

二、 鋼的原始組織對零件淬火變形的影響

工件淬火前的原始組織,例如,碳化物的形態、大小、數量及分布,合金元素的偏析,鍛造和軋制形成的纖維方向都對工件的熱處理變形有一定影響。球狀珠光體比片狀珠光體比體積大,強度高,所以經過預先球化處理的工件淬火變形相對要小。如碳素工具鋼、合金工具鋼、軸承鋼等,這些鋼在鍛造加工以后,必須進行球化退火,將片狀珠光體變為球狀珠光體。在淬火加熱時,奧氏體晶粒不易長大,冷卻時工件的變形和開裂傾向小。另外,偏析現象和網狀組織,對淬火后工件的變形、特別是對細長軸的彎曲變形影響很大。材料的本質晶粒度越細,屈服強度越高,對變形的抗力越大,工件淬火后的變形量就相應減小。條狀碳化物分布對工件的熱處理變形有很大影響,淬火后平行于碳化物條帶方向工件膨脹,與碳化物條帶相垂直的方向則收縮,碳化物顆粒愈粗大,條帶方向的膨脹愈大。對于Cr12類型鋼和高速鋼等萊氏體鋼來說,碳化物的形態和分布對淬火變形的影響尤為顯著。由于碳化物的熱膨脹系數小,約為基體的70%,因而在加熱時,沿條帶狀分布的碳化物方向上,膨脹較小的碳化物抑制了基體的伸長;而冷卻時,收縮較小的碳化物又會阻礙基體的收縮。由于奧氏體化加熱溫度較緩慢,碳化物對基本膨脹的抑制作用較弱,故條帶狀分布的碳化物對工件淬火加熱變形的方向性影響較小。但在淬火冷卻時,由于冷卻速度快,碳化物對基體收縮的抑制作用增大,所以淬火后沿碳化物條帶方向呈現較大的伸長。

三、 淬火介質對零件淬火熱處理變形的影響

淬火為了得到馬氏體,冷卻速度就必須大于臨界冷卻速度,而過快冷卻又會引起很大的內應力,造成工件的嚴重變形,甚至開裂。但根據碳鋼的過冷奧氏體等溫轉變曲線可以知道,要求淬火得到馬氏體并不需要在整個冷卻過程中都進行快速冷卻,其關鍵是在c曲線鼻尖部附近(550℃左右)需要快冷,而在650℃以上或400℃以下溫度范圍,并不需要快冷,特別在Ms線附近發生馬氏體轉變時需要緩慢冷卻,使馬氏體轉變時產生的熱應力和組織應力最小,以防止淬火變形和開裂。大量的生產實踐表明,在都能滿足淬硬要求的條件下,油中淬火后工件的淬火變形通常比水性介質中的要小,熱油中淬火的變形又更小。與油性介質相比,采用高壓氣淬或者在低溫鹽浴中淬火的工件變形程度還更小。

四、 零件的幾何形狀對零件淬火變形的影響

為了防止變形和開裂的產生,從零件本身考慮,應力求結構對稱,截面均勻,盡量避免尖角。幾何形狀復雜,截面形狀不對稱的工件,例如帶有鍵槽的軸、鍵槽拉刀等,淬火冷卻時,一側散熱快,另一側散熱慢,是一種不均勻的冷卻。如果在Ms以上的不均勻冷卻引起的變形占優勢,則冷卻快的一面是凹面;若在Ms以下的不均勻冷卻引起的變形占優勢,則冷卻快的一面是凸面。增加等溫時間,增長貝氏體轉變量,使殘余奧氏體更加穩定,減小空冷中的馬氏體轉變量,可使工件的變形量顯著減小。

五、 淬火方法對零件淬火變形的影響

在實際生產中,目前還沒有一種冷卻介質能完全滿足理想淬火介質的要求,所以還應根據工件的成分、尺寸、形狀和技術要求選擇合適的淬火方法。例如:雙介質淬火、馬氏體分級淬火、貝氏體等溫淬火等。雙介質淬火在鋼件奧氏體化后,先淬入一種冷卻能力強的介質中,在鋼件還未達到該液淬火介質溫度之前取出,馬上浸入另一種冷卻能力弱的介質中冷卻,這樣鋼件既能淬硬,又能顯著減小淬火應力。這種淬火方法常用于淬透性不高的碳鋼所制成工模具,以及要求得到較大淬硬層的合金鋼大件;馬氏體分級淬火在鋼材奧氏體化后,隨之投入溫度在鋼的Ms點左右的液態介質(鹽浴或堿浴)中,保持適當時間,待鋼件的內外層都達到介質溫度后取出空冷,以獲得馬氏體組織的淬火方法。馬氏體分級淬火既避免高溫時奧氏體分解,又達到低溫時緩慢冷卻的目的,減小了淬火應力,且硬度均勻。分級淬火是防止變形和開裂的有效淬火方法。馬氏體分級淬火法在工藝上雖然比較理想,操作容易,但由于它在鹽浴或堿浴中的冷卻速度較慢,故只適用于過冷奧氏體比較穩定的合金鋼、或尺寸較小的零件;貝氏體等溫淬火在鋼件加熱奧氏體化后,隨之快冷到貝氏體轉變溫度區間等溫保持,使奧氏體轉變為下貝氏體的淬火方法。下貝氏體組織中的碳化物彌散度大,具有高硬度和良好的韌性。等溫淬火處理的內應力顯著下降,變形量小,適于處理小型的精密零件,如冷、熱沖模,精密齒輪等。另外,由于下貝氏體組織結構均勻,產生微裂紋的可能性很小。

總之,淬火熱處理變形的影響因素是十分復雜的問題。在制定淬火熱處理工藝時,應充分考慮工件的形狀、鋼中的碳含量,根據工件所要求的力學性能,合理選擇淬火方法及冷卻介質,防止變形及開裂,提高產品質量。

(大豐市職業技術教育中心)