淺析鋼的淬透性和淬硬性

秦征平

本溪鋼鐵集團機械制造有限責任公司本鋼第一機修廠 遼寧 本溪 117000

引言

鋼的淬透性和淬硬性是兩個不同的概念，經常容易混淆，在實際生產中又經常用到，現在我對鋼材的淬透性和淬硬性從概念、各自的影響因素等方面加以分析。

1 鋼的淬透性分析

淬透性(也叫可淬性）表示鋼在淬火時能夠得到淬硬層深度的能力；能夠獲得馬氏體組織深度的能力，它是鋼材本身固有的一個屬性；鋼的淬透性由鋼的內在因素決定（如化學成分、純凈度、晶粒度、組織均勻性等），實際上是受珠光體或貝氏體轉變孕育期（珠光體或貝氏體轉變動力學TTT曲線“鼻尖”溫度的孕育期所控制）。它是指鋼在規定的條件下淬火時奧氏體轉變為馬氏體的容易程度；是決定鋼材淬硬深度和硬度分布的特性，是衡量不同鋼種接受淬火能力的大小；它反映鋼的過冷奧氏體的穩定性，即與鋼的臨界冷卻速度有關，過冷奧氏體越穩定，臨界淬火冷卻速度越小，等溫冷卻TTT曲線越靠右側；鋼在一定條件下淬火冷卻時，淬透層越深，鋼的淬透性越好，淬硬性越好，從而決定鋼在淬火后的淬硬深度和硬度分布的特性；凡抑制珠光體或貝氏體等過冷奧氏體分解產物形核的諸因素均能提高鋼的淬透性，其影響淬透性規律的因素如下：

1.1 鋼的化學成分的影響

合金元素對等溫冷卻TTT曲線（又叫C-曲線）形狀位置的影響很大，一般來說除Co以外，絕大多數合金元素溶入奧氏體后使等溫冷卻TTT曲線右移，即增加過冷奧氏體的穩定性，降低鋼的臨界冷卻速度并提高鋼的淬透性，所以高碳鋼淬透性好于中碳鋼，中碳鋼淬透性好于低碳鋼，合金鋼淬透性好于碳鋼。

在不同的等溫轉變區域內，各種合金元素對過冷奧氏體的穩定性的影響是不同的。除鈷以外，所有的合金元素都使等溫轉變TTT曲線右移，即增加過冷奧氏體的穩定性并提高鋼的淬透性。在不同的等溫轉變區域內，各種合金元素對過冷奧氏體穩定性的影響是不同的。Mo、V、W、Cr、Mn、Ni等元素對推遲奧氏體到珠光體轉變的作用很大，其中Mo的作用最強，但對于推遲奧氏體到貝氏體的轉變，Mo不起作用；而C，Mn，Cr，Ni，Si等元素對推遲奧氏體到貝氏體轉變有較大的影響。而B是影響淬透性最突出的元素，B的含量為0.0015%時，就可以大大提高鋼的淬透性，特別是含碳量低時，B的效果更大。但超過0.007%時其影響變化不再增大。合金元素增加過冷奧氏體穩定性的作用只有在這些元素（特別是形成碳化物的元素）溶于奧氏體時，才能充分發揮出來。否則，將由于奧氏體中存在過多的碳化物，使形成碳化物的元素在奧氏體中濃度的急劇減少，反而使過冷奧氏體的穩定性下降，降低鋼的淬透性。這種現象以Ti，V，W等元素較為明顯。影響淬透性的主要元素是碳元素，鋼中碳的含量有一個臨界點，當含碳量在0.8～1.2%時，鋼的淬透性最好；當含碳量小于1.2%時，隨著奧氏體中碳濃度的提高，顯著降低臨界冷卻速度，等溫冷卻TTT曲線右移，鋼的淬透性增大；當含碳量大于1.2%時，鋼的冷卻速度反而隨含碳量的升高而升高，等溫冷卻TTT曲線左移，鋼的淬透性下降。共析碳素鋼的過冷奧氏體相對于其他碳素鋼來說是最穩定的。

圖1 非共析鋼和共析鋼的TTT圖比較

1.2 奧氏體化溫度的影響

提高奧氏體化溫度將使奧氏體晶粒長大，奧氏體成分更均勻，從而抑制珠光體或貝氏體的形核率，降低了臨界淬火速度，可適當提高鋼的淬透性。

1.3 鋼種未溶第二項的影響

鋼中未溶入奧氏體的碳化物、氮化物及其他非金屬夾雜物，由于促進珠光體、貝氏體等相變形核，從而使鋼的淬透性降低。

1.4 鋼的原始組織的影響

鋼的原始組織中，由于珠光體的類型（片狀或粒狀）及彌散度的不同，在奧氏體化時，將會影響到奧氏體的均勻性，從而影響到鋼的淬透性。碳化物愈細小，溶入奧氏體愈迅速，從而有利于提高鋼的淬透性，粗大的奧氏體晶粒能使等溫冷卻TTT曲線右移，降低了鋼的臨界冷卻速度。但晶粒粗大將增大鋼在淬火時的變形、開裂傾向和降低韌性。在相同冷卻速度條件下，奧氏體成分越均勻，珠光體的形核率就越低，轉變的孕育期增長，等溫冷卻TTT曲線右移，臨界冷卻速度減慢，鋼的淬透性越高[1]。

2 鋼的淬硬性分析

鋼的淬硬性又叫可硬性，是指鋼在理想條件下進行淬火硬化時所能達到的最高硬度的能力，也就是淬硬層的硬度。在正常淬火條件下，以超過臨界淬火冷卻速度進行冷卻時，所形成的馬氏體組織能夠達到的最高硬度，用淬成馬氏體可能得到的最高硬度來表示，它主要取決于馬氏體的含碳量，更確切地說，它取決于淬火加熱時固溶于奧氏體中的含碳量。馬氏體中含碳量越高，鋼的淬硬性越高，其他合金元素的影響比較小。低碳鋼的淬火最高硬度值低，淬硬性差；高碳鋼淬火最高硬底值高，淬硬性好。總之，鋼的淬硬性是用合理淬火后所能表達的最高硬度來衡量的。鋼材的淬透性和淬硬性是具有不同含義的兩個概念，二者沒有必然的聯系。鋼的淬透性取決于臨界冷卻速度的大小，取決于過冷奧氏體穩定性；取決于奧氏體的化學成分，即奧氏體中碳及合金元素的含量；奧氏體的狀態（奧氏體成分均勻化程度、晶粒大小等）；鋼中非金屬夾雜物含量及分布等。而淬硬性主要取決于鋼的含碳量，它們之間沒有聯系。鋼的淬硬層厚度除取決于鋼淬透性外，還與淬火冷卻介質、工件尺寸、形貌、質量效應等外部因素有關。其影響淬硬性規律的因素如下：

2.1 化學成分的影響

決定鋼淬硬性高低的主要因素是鋼的含碳量，而鋼中的合金元素對淬硬性影響不大。因此，含碳量相當的碳素鋼和合金鋼淬火后，它們的硬度值一般相差不多。

2.2 熱處理過程中冷卻介質的冷卻特性和冷卻速度的影響

在熱處理過程中，冷卻速度的快與慢大大影響鋼的淬硬性能的高低，簡單來說，冷卻速度快的，淬硬性提高；冷卻速度慢的，淬硬性降低，冷卻介質不同導致其冷卻速度的差異。

2.3 零件加工尺寸大小的影響

鋼材產品尺寸的大小也在一定程度上影響著鋼的淬透性的高低。一般情況下，同一種鋼鐵零件經過淬火得到馬氏體組織，硬度應該一樣，但是由于截面尺寸不同，在相同的冷卻條件下得到不同得到冷卻速度，所以工件尺寸不同，淬火得到的硬度可能不同。零件尺寸越大，質量效應越大，得到的冷卻速度越慢，相應的轉變后的組織硬度越低。

鋼的淬透性取決于其臨界冷卻速度的高低，而淬硬性主要取決于鋼的含碳量，它們之間沒有必然關系。但淬硬性與淬透性成正比關系，淬硬性低的鋼其淬透性差。