在機(jī)械設(shè)計(jì)中如何考慮鋼的淬透性

鄒桂賢

（山東省泰安市高級(jí)技工學(xué)校，山東 泰安 271600）

在機(jī)械設(shè)計(jì)中如何考慮鋼的淬透性

鄒桂賢

（山東省泰安市高級(jí)技工學(xué)校，山東 泰安 271600）

分析了鋼的淬透性，在機(jī)械設(shè)計(jì)中需充分考慮，是鋼力學(xué)性能的重要影響因素之一，是正確制定熱處理工藝的依據(jù)。

機(jī)械設(shè)計(jì)；鋼的淬透性；合理選材；熱處理工藝

1 充分認(rèn)識(shí)鋼的淬透性

淬透性是指在規(guī)定的條件下，鋼在淬火后獲得淬硬層深度的能力（又叫可淬性）。它與鋼的臨界冷卻速度有密切關(guān)系，臨界冷卻速度越低，淬透性越好。因此，一切增加過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性、降低臨界冷卻速度的因素（主要是鋼的化學(xué)成分）都可以提高鋼的淬透性。例如，合金鋼的淬透性好于碳鋼。

獲得的淬硬層越深，說(shuō)明鋼的淬透性越好。如果淬硬層深度達(dá)到心部，則說(shuō)明該鋼全部淬透。一般規(guī)定：鋼在淬火后由鋼的表面至內(nèi)部馬氏體組織占50%處的距離為淬硬層深度（又叫淬透層的深度），最近也有新觀點(diǎn)認(rèn)為，在淬火鋼中存在50%不同的非馬氏體組織時(shí)鋼的機(jī)械性能會(huì)有很大差異，因而建議用90%馬氏體作為淬透性的判據(jù)。

不能把鋼的淬透性和具體條件下具體零件的淬透層深度混為一談。在同樣奧氏體化條件下，同一種鋼的淬透性是相同的，但不能說(shuō)同一種鋼水淬與油淬時(shí)的有效淬透深度相同。同一種鋼材制的零件，如果尺寸、形狀等不同，可能有效淬透深度在油中的反而比在水中的為大。因此，談具體有效淬透層深度時(shí)，必須考慮零件的形狀、尺寸和冷卻介質(zhì)等的影響。

2 淬透性對(duì)鋼力學(xué)性能的影響

淬透性對(duì)鋼的機(jī)械性能影響很大。一個(gè)零件如果淬透了，不論是淬火后還是淬火+回火后，整個(gè)截面各處性能是均勻一致的。但是如果未淬透，則截面各處的組織和性能不均勻，未淬透部分的力學(xué)性能，尤其是σs和αk值明顯下降。淬火不完全程度愈大時(shí)，淬火鋼的屈強(qiáng)比愈小。對(duì)于不允許出現(xiàn)塑性變形的零件，一般都希望屈強(qiáng)比高些，以盡量提高材料強(qiáng)度的利用率，要求這類零件淬透程度要大。鋼的淬透性越小，零件的淬硬層越淺，未淬透部分的比例越大，零件承受載荷的能力大大下降。

淬火鋼中馬氏體量愈多時(shí)，回火后鋼的疲勞極限愈高。

3 鋼的淬透性評(píng)定

準(zhǔn)確評(píng)定鋼的淬透性，為合理選材和制定熱處理工藝提供依據(jù)。

1）按材料C（或CCT）曲線位置判定。鋼材的C曲線的形狀和位置，不僅對(duì)過(guò)冷奧氏體的轉(zhuǎn)變速度和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物具有大的意義，而且在考慮鋼的淬透性時(shí)也有指導(dǎo)作用。C曲線的位置越右移，該鋼的淬透性越大。

2）借臨界淬透直徑評(píng)定。臨界淬透直徑符號(hào)D0表示，是一種很直觀判斷淬透性的方法。它是指鋼在某種淬火介質(zhì)中冷卻時(shí)，其心部能淬透的最大直徑。顯然，在冷卻能力大的介質(zhì)中比冷卻能力小的介質(zhì)中所淬透的直徑要大；在同一冷卻介質(zhì)中鋼的臨界淬透直徑越大，其淬透性越好。

3）用末端淬火法評(píng)定。簡(jiǎn)稱端淬法。通常用于測(cè)定優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼的淬透性，也可用于測(cè)定彈簧鋼、軸承鋼、工具鋼的淬透性。實(shí)驗(yàn)方法為：將試樣加熱到規(guī)定的淬火溫度后，從試樣末端噴水冷卻，從噴水冷卻的末端起，每隔一定距離測(cè)一硬度點(diǎn)，繪成該鋼種的淬透性曲線。由于鋼材成分的波動(dòng)，材料或熱處理手冊(cè)上所登載某些鋼種的淬透性曲線往往是一個(gè)范圍，稱為淬透帶。用此法測(cè)定鋼的淬透值可用J表示，其中J表示末端淬透性，d表示至末端的距離，該距離越大，鋼的淬透性越大，HRC為該處測(cè)得的硬度值。

4 設(shè)計(jì)中如何考慮鋼的淬透性

淬透性作為鋼的熱處理性能之一，對(duì)鋼的機(jī)械性能影響很大。設(shè)計(jì)人員必須充分考慮鋼的淬透性，根據(jù)工件的工作環(huán)境和性能需求進(jìn)行合理選材，正確制定熱處理工藝。

利用淬透性曲線合理選用鋼材。例如選用?60mm汽車零件轉(zhuǎn)向節(jié)的鋼材，根據(jù)所提出的技術(shù)要求：淬火后表面硬度≥HRC50，距離表面1/4R處硬度≥HRC45，經(jīng)查幾種鋼材的淬透性曲線，發(fā)現(xiàn)40CrMn鋼淬透性曲線能滿足要求。因此，選用40CrMn鋼作為該零件材料較為合理。

淬透性好不僅有利于大截面零件獲得均勻一致的組織和性能，而且在淬火時(shí)可采用比較緩和的淬火介質(zhì)，減少工件的變形及開裂傾向。因此，截面尺寸大、形狀復(fù)雜的零件，以及在動(dòng)載荷下工作的零件如螺栓、拉桿、鍛模、錘桿等，要求零件的表面和心部機(jī)械性能一致，都應(yīng)選用淬透性高的材料制作。

當(dāng)某些工件的心部機(jī)械性能對(duì)于使用條件沒(méi)有什么影響的情況下，則可考慮選用淬透性較低的、淬硬層較淺（如淬硬層深度為工件半徑或厚度的1/2，甚至1/4）的鋼。

有些工件不可選用淬透性高的鋼，例如焊接工件，如選用淬透性高的鋼，就容易在焊縫熱影響區(qū)內(nèi)出現(xiàn)淬火現(xiàn)象，造成焊件變形和裂紋；又如承受強(qiáng)力沖擊和復(fù)雜應(yīng)力的冷鐓凸模，其工作部分常因全部淬硬而脆斷。

另外，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1）大尺寸工件設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度計(jì)算，不能僅僅根據(jù)從設(shè)計(jì)手冊(cè)里查到的小尺寸試樣的性能數(shù)據(jù)。

2）淬透性低的大尺寸工件，淬硬層很淺，應(yīng)考慮在淬火之前進(jìn)行切削加工。

3）由于碳鋼的淬透性很低，有時(shí)在設(shè)計(jì)大尺寸工件時(shí)，建議應(yīng)用碳鋼正火調(diào)質(zhì)處理更經(jīng)濟(jì)些。例如設(shè)計(jì)尺寸為?100mm時(shí)，用45鋼調(diào)質(zhì)能達(dá)到σb=610Mpa，若用45鋼正火也能達(dá)到σb=600Mpa。

鄒桂賢（1966—），女，畢業(yè)于山東科技大學(xué)，現(xiàn)就職于山東省泰安市高級(jí)技工學(xué)校，從事材料與熱處理教學(xué)工作。