“零保溫淬火”熱處理工藝探討

周　軍

所謂零保溫淬火，就是指工件加熱時，其表面和心部達到淬火加熱溫度后，不需保溫，立即淬火冷卻的熱處理工藝。與現行的淬火工藝相比，“零保溫”淬火省去了工件透熱和完成組織轉變所需要的保溫時間，不僅能節約能源，提高勞動生產率，還可以減少或消除工件在保溫過程中產生的氧化、脫碳等缺陷，有利于產品質量的提高。

一、理論探討

在大多數熱處理工藝中，鋼的加熱目的主要是獲得奧氏體組織。了解奧氏體化過程，有助于分析加熱工藝的制定。

1．奧氏體化過程

奧氏體 A形成必須要有一定的過熱度△T，提供相變驅動力△G。共析鋼 P在加熱溫度大余等于Ac1時，轉化為奧氏體A。奧氏體的形成實質就是體心立方晶格改組成面心立方晶格的同素異構轉變，須進行鐵原子和碳原子的遷徙。奧氏體的形成既發生相變，也伴隨著原子的擴散，即在相變的同時，碳原子由滲碳體-奧氏體-鐵素體擴散。

其轉化可分為以下四個階段（有五個圖為什么是四個階段？??建議與作者核實）：① A形核 ②A晶核長大 ③殘余Fe3C溶解 ④ A均勻化。在鐵素體F和滲碳體 Fe3C兩相界面上形核后，向F和Fe3C兩個相界面推移，F晶格重構成面心立方，而Fe3C具有復雜晶體結構，不能直接通過晶格的改組進行，只能通過滲碳體的分解、溶入奧氏體來實現。重構速度比Fe3C溶解速度快，所以F先溶解，剩余Fe3C通過C原子擴散，從而使A均勻化。對于亞共析鋼其平衡組織為鐵素體+珠光體，奧氏體化過程分兩個階段進行：第一階段是加熱到略高于Ac1溫度時珠光體轉變成奧氏體；第二階段是在Ac1-Ac3溫度區間升溫過程中鐵素體向奧氏體的轉變。過共析鋼也有第二相的存在（滲碳體），滲碳體的分解、溶入，完全奧氏體化時晶粒已顯著長大。

2．加熱工藝

奧氏體形成的各個階段所需的時間是不同的。形核和長大階段的時間較短，殘余滲碳體的溶解較長、奧氏體均勻化的時間更長。加熱工藝的確定須充分考慮加熱溫度、加熱時間、加熱速度和加熱方式。加熱時通常是三段式操作：升溫、均溫、保溫。保溫的目的一方面是使工件內外勻溫，而更重要的是保證奧氏體形成過程中碳化物的溶解及奧氏體的均勻化。原則上升溫時間應指整個工件都達到加熱溫度所需要的時間，但是由于難以確定工件心部究竟何時到溫，一般都以加熱開始到工件表面到溫所需的時間作為升溫時間，并以此作為保溫時間的開始。在傳統工藝計算時間：T=K*A*D式中的T為加熱時間，K為裝爐系數，A為加熱系數，D為工件有效厚度，其實我們在實際生產中，一般是根據以往工作經驗和工件有效厚度來計算保溫時間。

二、工藝分析

１．保溫時間是否真的為“零”

這里要認清兩個時間概念。

（１）均溫時間。它是指爐膛內的各處溫度均勻化的時間；爐膛溫度和加熱件的表面溫度均勻化時間。

（２）保溫時間。它是指使加熱件從外到里都達到需要的溫度（包括組織轉變、固溶、重結晶、均勻化等等）的時間。從其工藝來看，現行的工藝保溫時間一般是從工件表面到溫時才開始計算，從“零保溫”工藝表述中，可知是把工件表面溫度和心部溫度都到達加熱溫度算升溫時間。與現行工藝比較起來，這加熱過程包括均溫時間和部分保溫時間。也就是說，實際上保溫時間不為零，只是短而已。

２．奧氏體均勻化過程是否真的能省掉

從奧氏體化過程來看，如果碳溶解不均勻將會影響工件的性能。奧氏體化從傳熱學角度來看：凡屬“薄件”的工件，當其表面到溫后，其心部的溫度與表面溫度相差很小；從金屬學的角度來看，一般鋼材的奧氏體化時間很短，因此對許多零件的加熱，不必額外增加保溫時間。試驗結果表明，結構鋼淬火及正火加熱采用“零保溫”或短時間保溫是完全可行的。特別是45？、45Mn2這樣的碳素結構鋼或單元素合金結構鋼，采用“零保溫”工藝可以保證其力學性能要求。當爐溫已達到工藝設定值時，也就是說工件表面已達到工藝溫度值時，工件已透燒了，不要再額外增加保溫時間了，這就是常說的“零”保溫加熱。既在這過程中，工件的奧氏體化已經完成或接近全部完成。

３．零保溫工藝的適用有限制嗎？

合金元素對鋼加熱的影響主要表現在兩個方面：一是合金元素對奧氏體形成速度的影響；二是合金元素對晶粒長大的影響。我們主要分析第一點，大部分合金元素阻礙碳在鋼中的擴散，減慢奧氏體的形成速度，而且合金碳化物溶人奧氏體的更難，需要更高的溫度；合金元素在奧氏體中的擴散速度極慢，且碳的擴散速度也因合金元素的加入而變慢。同時保溫時間更主要的和加熱件的導溫、導熱系數有關，即加熱件物性起了主要作用，在均溫后是物性決定了時間的長短。故合金鋼加熱保溫時間要比碳鋼長得多，才能使奧氏體充分均勻化。合金結構鋼（40Cr,35CrMo,42CrMo）等，因其材料中添加了一些合金元素，在加熱過程中我們要使在碳化物均勻化需要一定的時間，對于40CrNiMo等多元素合金結構鋼，零保溫處理其力學性能也并不壞，完全符合指標要求，但若為了性能可靠、穩定，可選用5分鐘短時保溫。因此“零保溫”淬火工藝主要反應在碳素鋼和低合金鋼上，這是由于碳素鋼沒有合金元素和碳化物，不須長時間保溫均勻奧氏體化過程。低合金鋼因其傳熱系數與碳素鋼基本類似，所以相對碳素鋼來說就要多一點時間，一般我們也要在傳統工藝時間上的60%～80%左右，這樣做可以縮短鋼件在高溫加熱時間，變形量也相對減少一點，奧氏化晶粒相對較細小，淬火后可得到細小馬氏體組織，其機械性能也就得到一定的提高，這也是我們熱處理工作者想要達到的效果。

三、概括總結

第一，“零保溫”工藝的保溫時間并不為零，只是保溫時間很短。

第二，“零保溫”工藝主要適用一般碳素鋼和低合金鋼的熱處理。對于高碳鋼、合金鋼要相應增加保溫時間，使奧氏體均勻化。

第三，在實際生產過程中，要根據實際情況來合理安排保溫時間。單純追求“零保溫”會適得其反。

（作者單位：廣東省中山技師學院）