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钢的淬火回火工艺参数的确定 |
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作者：长江挖掘机厂 |
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1 前言
淬火是强化材料最有效的热处理工艺方法，其工艺参数的选择直接影响着材料的性能。这就要求热处理工作者不断创新，改进工艺，有效地发挥出材料的潜力，节约能源，降低生产成本。本文简述了钢的淬回火工艺参数的确定及量化依据。
2 淬火加热温度
按常规工艺，亚共析钢的淬火加热温度为Ac3＋（30～50℃）；共析和过共析钢为Ac1＋（30～50℃）；合金钢的淬火加热温度常选用Ac1（或Ac3）＋（50～100℃）；高合金钢含有大量高熔点碳化物，要增大奥氏体化程度，淬火加热温度更高，有些已达到接近熔点的程度。
为了达到钢所要求的不同性能，淬火加热温度正在向高或低两个方面发展。亚温淬火就是将淬火温度降至Ac3点以下5～10℃的α＋γ两相区，在保留大约10%～15％未溶铁素体状态进行淬火，在保证强度及较高硬度的同时，塑性、韧性得到改善，淬火变形或开裂明显减少，回火脆性也有所减弱。现已作为一种新的成熟工艺已获得国内外热处理工作者的共识。
此外，还有人发现［1］，以40Cr钢为代表的亚共析钢在Ac3点处有硬化峰出现，此温度淬火不仅可获得最高的硬度，且各项力学性能也为最佳值，掌握得当能充分发挥钢的潜力。
与其相反，提高某些钢的淬火温度也可获得预想不到的结果。如热模具钢5CrMnMo、5CrNiMo钢的淬火温度由传统的860℃提高至920℃（高出30～80℃）［2］，加速了碳化物的溶解，增加了马氏体中的合金含量，组织均匀。可以获得大量的高位错马氏体，断裂韧度大大提高，红硬性更为优异，其使用寿命成倍提高。又如，H13钢淬火温度由1050℃提高至1100℃时，奥氏体晶粒并不明显长大，由于碳化物溶解加速，奥氏体中含碳及合金元素增多，其结果使δb、δ0.2（室温和500℃）及热疲劳性能提高，有利于延长H13钢的模具使用寿命［3］。
随着对亚共析钢所要求的性能而异，其淬火温度的选择有很大的灵活性。但是不论提高或是降低温度，均是以钢的临界点Ac3为主要依据。因此，正确掌握钢的Ac3点极其重要。近年来，热处理工作者发展了Ac3点计算模型［4］。
近年来，引进或国内新开发的工程机械斗齿用低合金耐磨钢，如ZG30CrMn2SiReB钢为亚共析钢［5，6］，为发挥钢的潜力，获得耐磨性和一定的强韧性，所采用的淬火温度均高于传统温度90～120℃。这说明，钢的淬火温度对不同钢种和所要求的性能是有很大差别，不能一概而论，必须跳出传统的约束。
高合金钢的淬火温度同样也有很大变动，由定性逐步向定量化过渡，使所选择的淬火温度更切合实际。有人提出平衡碳的概念［6］，并由此决定正常淬火温度。
平衡碳CS＝0.033wW＋0.063wMo＋0．06wCr＋0．2wV
钢的碳饱和度A为钢中实际碳量C实与平衡碳CS之比，即A＝C实／CS。由计算出的不同A值来决定所对应的最佳淬火温度，可获得满意的质量要求。也有人提出以碳化物溶解温度为依据，决定高速钢淬火温度的方法，即
TS（°F）＝2310－200wC＋40wV＋8wW＋5wMo±12
T淬（°F）＝TS－（35～50）
用于制作模具的高速钢，在要求一定耐磨性的同时，还要具备一定的韧性，所选择的加热温度要比传统的低，一般按下式决定［7］：
W18Cr4V钢 T（℃）＝1260－（64－HRC值）×10
（2）
W6Mo5Cr4V2钢T（℃）＝1190－（64－HRC值）×10
（3）
式中 HRC——为模具要求硬度值。
3 加热时间
为了降低生产成本，提高生产效率，缩短加热时间是有效而简便的方法。经大量测试对比发现，确定加热时间的传统方法存在一些问题。有人试验提出表1所示加热时间更适合于实际，比传统加热时间明显减少。表1 按τ＝kW计算保温时间推荐的W值
| 工件形状 | W／cm | k／min.cm－1 | 柱 状
板 状
管 状 | （1／6～1／4）D
（1／6～1／2）B
（1／4～1／2）δ | 7
7
10 |
注：盐炉加热用。D、B、δ分别为工件直径、板厚和管壁厚对于大截面工件的加热时间，有人认为截面大的工件达到淬火效果也仅是一定深度，在加热时完全热透，不仅延长时间、浪费能源，而且冷却过程要散失的热量相对增多，其冷却强度下降，使实际淬火效果变差。测试发现，奥氏体相变一般不超过几分钟，所以加热时间以保证工件截面内外温度一致为准，有人以此为依据提出零保温的新概念，现已逐步被人们所接受。
4 冷却
为了使钢淬火冷却更适宜，选择介质及冷却强度应依据钢的临界冷却速度。热处理工作者导出了不同类型的计算式或模型，具有代表性的如下式：［8］
(1) 获得马氏体的临界冷却速度
lgv1＝9.81－（4.26wC＋1.05wMn＋0.54wNi＋0.5wCr＋0.66wMo＋0.00183PA）
（2） 获得贝氏体的临界冷却速度
lgv2＝10.17－（3.08wC＋1.07wMn＋0．70wNi＋0.57wCr＋1.58wMo＋0．0032PA）（℃／h）
式中 PA——奥氏体化参数。
由于工件“淬火质量效应”的影响，不同截面的工件的实际冷却速度有很大变化，为此有人提出水、油淬时的截面与冷却强度的定量关系：
式中 H1、H0——分别为不同搅拌态和静止状态下的冷却强度。
模具淬火冷却要求留有一定的余热，有人总结出决定淬火冷却时间的经验式［9，10］：
式中 A——油的状态系数
V、F——分别为模具的体积和表面积，dm3、dm2
D——模具的高度或厚度，mm
喷冷淬火解决了大截面工件淬火冷却不足的难题，通过调节喷液压力、流量和时间来控制冷却强度，实现计算机控制，满足大批量淬火的需要［11，12］。另外，喷冷淬火远可控制工件冷却至一定程度，使其保留一定余温，利用余热进行自回火。节能、省时、高效，很有发展潜力。
5 淬火效果评定
钢的淬透性以往只能定性地从端淬图表上查得，使用不便。近年来，评定钢的淬透性逐步量化，即由相应的公式计算，直观方便且有一定的可靠性。典型的应用公式如下［13］：
 ＋16wMn＋35wMo＋5wSi-0.82KASTM
式中 E——至淬火端距离，mm
KASTM——晶粒度等级
有些钢种仅采用硬度评定尚感不足，必须配合组织观察和性能测试。如ZG30CrMn2SiReB钢，达到最高的淬火硬度的工艺参数并非性能最佳，而采用比获得最高硬度更高的淬火温度，硬度虽然略有下降，但是耐磨性和强韧性为最佳。
6 回火
通常钢的回火工艺参数是依据钢所要求的硬度和力学性能从有关手册选择的，使用不仅麻烦，而且对新钢种也无从下手。为解决这类问题，热处理工作者作了大量工作，以回火动力学为依据总结推导出各种类型的回火专用式［14，15］和通用式，［16，17］为现场生产使用和工艺编制计算机化提供了条件。
为了提高生产效率，开发出了快速回火工艺方法。快速回火原理是基于回火参数P与钢的性能和硬度的约束关系。即回火工艺参数相等时，所获得的硬度或力学性能基本相同。回火参数P＝（θ＋273）（wC＋lgt）是温度θ和时间t的函数，要获得同样的回火效果，可以由不同的θ和t进行组合［18］。
以往多次重复回火的实际效果并未引起人们的重视，研究的也较少。文献［19］总结提出了衡量多次回火的累积作用。如钢在各温度条件下的回火参数分别为P1、P2……，其累积总回火参数P总可表示为：
P总＝lg（10P1＋10P2……）
使多次不同温度回火的效果获得量化的评定，可以说是对回火过程认识的深化和提高。
参考文献
1 赵振东．40Cr钢Ac3点淬火硬化峰及其分析.机械工程材料，1992（3）
2 王德合．模具的热处理发展.国外金属热处理，1997（1）
3 朱心昆等.淬火温度对H13钢性能的影响.金属热处理，1994（8）
4 陈汉清译.确定钢临界点的计算模型.国外金属热处理，1985（3）
5 王和德等.新型耐磨钢的淬火工艺特点．金属热处理，1993（11）
6 赵步青.M2高速钢中碳饱和度的探讨．金属热处理，1987（4）
7 张一公.高速钢淬火回火工艺的发展．金属热处理，1988（8）
8 Bolondeau．Ret．Heat Treatmet76 London．Metals Socitty，1976
9 胡煜伟.热锻模淬火油冷时间的计算.金属热处理，1994（4）
10 贺 柱.热锻模淬火油冷时间确定.金属热处理，1984（6）
11 赵振东．整体加热喷冷淬火．机械工人（热），1997（6）
12 福田达等.热处理（日）1989（5）
13 竹村和夫.金属材料の选じ方.铸锻造と热处理，1987（9）
14 钟士红等.几种钢的回火方程和回火动力学曲线.金属热处理，1983（11）
15 赵振东.40Cr钢淬回火工艺参数计算及力学性能预测.机械工人（热），1995（3）
16 邹庆化.钢的成分回火温度与硬度之间的关系.金属热处理，1994（3）
17 高子腾译.计算机辅助确定结构钢淬火和回火工艺参数.国外金属热处理，1990（3）
18 谢行平，决定快速回火参数的试行公式．金属热处理，1980（6）
19 赵细金.回火参数及应用．国外金属热处理，1996（1）(end)
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(2/4/2009) |
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