滲碳淬火表面淬火

表面淬火是將鋼件的表面層淬透到一定的深度，而心部分仍保持未淬火狀態(tài)的一種局部淬火的方法。表面淬火時(shí)通過(guò)快速加熱，使剛件表面很快到淬火的溫度，在熱量來(lái)不及穿到工件心部就立即冷卻，實(shí)現(xiàn)局部淬火。

工件在一種介質(zhì)中冷卻，如水淬、油淬。優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，應(yīng)用廣泛。缺點(diǎn)是在水中淬火應(yīng)力大，工件容易變形開(kāi)裂;在油中淬火，冷卻速度小，淬透直徑小，大型工件不易淬透。

工件先在較強(qiáng)冷卻能力介質(zhì)中冷卻到300℃左右，再在一種冷卻能力較弱的介質(zhì)中冷卻，如:先水淬后油淬，可有效減少馬氏體轉(zhuǎn)變的內(nèi)應(yīng)力，減小工件變形開(kāi)裂的傾向，可用于形狀復(fù)雜、截面不均勻的工件淬火。雙液淬火的缺點(diǎn)是難以掌握雙液轉(zhuǎn)換的時(shí)刻，轉(zhuǎn)換過(guò)早容易淬不硬，轉(zhuǎn)換過(guò)遲又容易淬裂。為了克服這一缺點(diǎn)，發(fā)展了分級(jí)淬火法。

工件在低溫鹽浴或堿浴爐中淬火，鹽浴或堿浴的溫度在Ms點(diǎn)附近，工件在這一溫度停留2min~5min，然后取出空冷，這種冷卻方式叫分級(jí)淬火。分級(jí)冷卻的目的，是為了使工件內(nèi)外溫度較為均勻，同時(shí)進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變，可以大大減小淬火應(yīng)力，防止變形開(kāi)裂。分級(jí)溫度以前都定在略高于Ms點(diǎn)，工件內(nèi)外溫度均勻以后進(jìn)入馬氏體區(qū)?，F(xiàn)在改進(jìn)為在略低于 Ms 點(diǎn)的溫度分級(jí)。實(shí)踐表明，在Ms 點(diǎn)以下分級(jí)的效果更好。例如，高碳鋼模具在160℃的堿浴中分級(jí)淬火，既能淬硬，變形又小，所以應(yīng)用很廣泛。

工件在等溫鹽浴中淬火，鹽浴溫度在貝氏體區(qū)的下部(稍高于Ms)，工件等溫停留較長(zhǎng)時(shí)間，直到貝氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束，取出空冷。等溫淬火用于中碳以上的鋼，目的是為了獲得下貝氏體，以提高強(qiáng)度、硬度、韌性和耐磨性。低碳鋼一般不采用等溫淬火。

淬火工藝在現(xiàn)代機(jī)械制造工業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。機(jī)械中重要零件，尤其在汽車(chē)、飛機(jī)、火箭中應(yīng)用的鋼件幾乎都經(jīng)過(guò)淬火處理。為滿(mǎn)足各種零件千差萬(wàn)別的技術(shù)要求，發(fā)展了各種淬火工藝。如，按接受處理的部位，有整體、局部淬火和表面淬火;按加熱時(shí)相變是否完全，有完全淬火和不完全淬火(對(duì)于亞共析鋼，該法又稱(chēng)亞臨界淬火);按冷卻時(shí)相變的內(nèi)容，有分級(jí)淬火，等溫淬火和欠速淬火等。

工藝過(guò)程 包括加熱、保溫、冷卻3個(gè)階段。下面以鋼的淬火為例，介紹上述三個(gè)階段工藝參數(shù)選擇的原則。

以鋼的相變臨界點(diǎn)為依據(jù)，加熱時(shí)要形成細(xì)小、均勻奧氏體晶粒，淬火后獲得細(xì)小馬氏體組織。碳素鋼的淬火加熱溫度范圍如圖1所示。

由本圖示出的淬火溫度選擇原則也適用于大多數(shù)合金鋼，尤其低合金鋼。亞共析鋼加熱溫度為Ac3溫度以上30~50℃。從圖上看，高溫下鋼的狀態(tài)處在單相奧氏體(A)區(qū)內(nèi)，故稱(chēng)為完全淬火。如亞共析鋼加熱溫度高于Ac1、低于Ac3溫度，則高溫下部分先共析鐵素體未完全轉(zhuǎn)變成奧氏體，即為不完全(或亞臨界)淬火。

過(guò)共析鋼淬火溫度為Ac1溫度以上30~50℃，這溫度范圍處于奧氏體與滲碳體(A+C)雙相區(qū)。因而過(guò)共析鋼的正常的淬火仍屬不完全淬火，淬火后得到馬氏體基體上分布滲碳體的組織。這-組織狀態(tài)具有高硬度和高耐磨性。對(duì)于過(guò)共析鋼，若加熱溫度過(guò)高，先共析滲碳體溶解過(guò)多，甚至完全溶解，則奧氏體晶粒將發(fā)生長(zhǎng)大，奧氏體碳含量也增加。

淬火后，粗大馬氏體組織使鋼件淬火態(tài)微區(qū)內(nèi)應(yīng)力增加，微裂紋增多，零件的變形和開(kāi)裂傾向增加;由于奧氏體碳濃度高，馬氏體點(diǎn)下降，殘留奧氏體量增加，使工件的硬度和耐磨性降低。常用鋼種淬火的溫度參見(jiàn)表2。

表2常用鋼種淬火的加熱溫度

實(shí)際生產(chǎn)中，加熱溫度的選擇要根據(jù)具體情況加以調(diào)整。如亞共析鋼中碳含量為下限，當(dāng)裝爐量較多，欲增加零件淬硬層深度等時(shí)可選用溫度上限;若工件形狀復(fù)雜，變形要求嚴(yán)格等要采用溫度下限。

淬火保溫時(shí)間 由設(shè)備加熱方式、零件尺寸、鋼的成分、裝爐量和設(shè)備功率等多種因素確定。對(duì)整體淬火而言，保溫的目的是使工件內(nèi)部溫度均勻趨于一致。對(duì)各類(lèi)淬火，其保溫時(shí)間最終取決于在要求淬火的區(qū)域獲得良好的淬火加熱組織。

加熱與保溫是影響淬火質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，奧氏體化獲得的組織狀態(tài)直接影響淬火后的性能。-般鋼件奧氏體晶?？刂圃?~8級(jí)。

要使鋼中高溫相--奧氏體在冷卻過(guò)程中轉(zhuǎn)變成低溫亞穩(wěn)相--馬氏體，冷卻速度必須大于鋼的臨界冷卻速度。工件在冷卻過(guò)程中，

表面與心部的冷卻速度有-定差異，如果這種差異足夠大，則可能造成大于臨界冷卻速度部分轉(zhuǎn)變成馬氏體，而小于臨界冷卻速度的心部不能轉(zhuǎn)變成馬氏體的情況。為保證整個(gè)截面上都轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體需要選用冷卻能力足夠強(qiáng)的淬火介質(zhì)，以保證工件心部有足夠高的冷卻速度。但是冷卻速度大，工件內(nèi)部由于熱脹冷縮不均勻造成內(nèi)應(yīng)力，可能使工件變形或開(kāi)裂。因而要考慮上述兩種矛盾因素，合理選擇淬火介質(zhì)和冷卻方式。

冷卻階段不僅零件獲得合理的組織，達(dá)到所需要的性能，而且要保持零件的尺寸和形狀精度，是淬火工藝過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

淬火工件的硬度影響了淬火的效果。淬火工件一般采用洛氏硬度計(jì)，測(cè)試HRC硬度。淬火的薄硬鋼板和表面淬火工件可測(cè)試HRA的硬度。厚度小于0.8mm的淬火鋼板、淺層表面淬火工件和直徑小于5mm的淬火鋼棒，可改用表面洛氏硬度計(jì)，測(cè)試HRN硬度。

在焊接中碳鋼和某些合金鋼時(shí)，熱影響區(qū)中可能發(fā)生淬火現(xiàn)象而變硬，易形成冷裂紋，這是在焊接過(guò)程中要設(shè)法防止的。

由于淬火后金屬硬而脆，產(chǎn)生的表面殘余應(yīng)力會(huì)造成冷裂紋，回火可作為在不影響硬度的基礎(chǔ)上，消除冷裂紋的手段之一。

淬火對(duì)厚度、直徑較小的零件使用比較合適，對(duì)于過(guò)大的零件，淬火深度不夠，滲碳也存在同樣問(wèn)題，此時(shí)應(yīng)考慮在鋼材中加入鉻等合金來(lái)增加強(qiáng)度。

淬火是鋼鐵材料強(qiáng)化的基本手段之一。鋼中馬氏體是鐵基固溶體組織中最硬的相(表1)，故鋼件淬火可以獲得高硬度、高強(qiáng)度。但是，馬氏體的脆性很大，加之淬火后鋼件內(nèi)部有較大的淬火內(nèi)應(yīng)力，因而不宜直接應(yīng)用，必須進(jìn)行回火。

表1鋼中鐵基固溶體的顯微硬度值

將金屬工件加熱到某一適當(dāng)溫度并保持一段時(shí)間，隨即浸入淬冷介質(zhì)中快速冷卻的金屬熱處理工藝。常用的淬冷介質(zhì)有鹽水、水、礦物油、空氣等。

淬火可以提高金屬工件的硬度及耐磨性，因而廣泛用于各種工、模、量具及要求表面耐磨的零件(如齒輪、軋輥、滲碳零件等)。通過(guò)淬火與不同溫度的回火配合，可以大幅度提高金屬的強(qiáng)度、韌性及疲勞強(qiáng)度，并可獲得這些性能之間的配合(綜合機(jī)械性能)以滿(mǎn)足不同的使用要求。

另外淬火還可使一些特殊性能的鋼獲得一定的物理化學(xué)性能，如淬火使永磁鋼增強(qiáng)其鐵磁性、不銹鋼提高其耐蝕性等。

淬火工藝主要用于鋼件。常用的鋼在加熱到臨界溫度以上時(shí)，原有在室溫下的組織將全部或大部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。隨后將鋼浸入水或油中快速冷卻，奧氏體即轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。與鋼中其他組織相比，馬氏體硬度最高。

淬火時(shí)的快速冷卻會(huì)使工件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)其大到一定程度時(shí)工件便會(huì)發(fā)生扭曲變形甚至開(kāi)裂。為此必須選擇合適的冷卻方法。根據(jù)冷卻方法，淬火工藝分為單液淬火、雙介質(zhì)淬火、馬氏體分級(jí)淬火和貝氏體等溫淬火4類(lèi)。

淬火效果的重要因素，淬火工件硬度要求和檢測(cè)方法:

淬火的目的是使過(guò)冷奧氏體進(jìn)行馬氏體或貝氏體轉(zhuǎn)變，得到馬氏體或貝氏體組織，然后配合以不同溫度的回火，以大幅提高鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度以及韌性等，從而滿(mǎn)足各種機(jī)械零件和工具的不同使用要求。也可以通過(guò)淬火滿(mǎn)足某些特種鋼材的鐵磁性、耐蝕性等特殊的物理、化學(xué)性能。

(一)碳濃度過(guò)高

⒈產(chǎn)生原因及危害:如果滲碳時(shí)急劇加熱，溫度又過(guò)高或固體滲碳時(shí)用全新滲碳劑，或用強(qiáng)烈的催滲劑過(guò)多都會(huì)引起滲碳濃度過(guò)高的現(xiàn)象。隨著碳濃度過(guò)高，工件表面出現(xiàn)塊狀粗大的碳化物或網(wǎng)狀碳化物。由于這種硬脆組織產(chǎn)生，使?jié)B碳層的韌性急劇下降。并且淬火時(shí)形成高碳馬氏體，在磨削時(shí)容易出現(xiàn)磨削裂紋。

⒉防止的方法

①不能急劇加熱，需采用適當(dāng)?shù)募訜釡囟龋皇逛摰木ЯｉL(zhǎng)大為好。如果滲碳時(shí)晶粒粗大，則應(yīng)在滲碳后正火或兩次淬火處理來(lái)細(xì)化晶粒。

②嚴(yán)格控制爐溫均勻性，不能波動(dòng)過(guò)大，在反射爐中固體滲碳時(shí)需特別注意。

③固體滲碳時(shí)，滲碳劑要新、舊配比使用。催滲劑最好采用4-7%的BaCO3，不使用Na2CO3作催滲劑。

(二)碳濃度過(guò)低

⒈產(chǎn)生的原因及危害:溫度波動(dòng)很大或催滲劑過(guò)少都會(huì)引起表面的碳濃度不足。最理想的碳濃度為0.9-1.0%之間，低于0.8%C，零件容易磨損。

⒉防止的方法:

①滲碳溫度一般采用920-940℃，滲碳溫度過(guò)低就會(huì)引起碳濃度過(guò)低，且延長(zhǎng)滲碳時(shí)間;滲碳溫度過(guò)高會(huì)引起晶粒粗大。

②催滲劑(BaCO3)的用量不應(yīng)低于4%。

(三)滲碳后表面局部貧碳:

⒈產(chǎn)生的原因及危害:固體滲碳時(shí)，木炭顆粒過(guò)大或夾雜有石塊等雜質(zhì)，或催滲劑與木炭拌得不均勻，或工件所接觸都會(huì)引起局部無(wú)碳或貧碳。工件表面的污物也可以引起貧碳。

⒉防止的方法

①固體滲碳劑一定要按比例配制，攪拌均勻。

②裝爐的工件注意不要有接觸。固體滲碳時(shí)要將滲碳劑搗實(shí)，勿使?jié)B碳過(guò)塌而使工件接觸。

③卻除表面的污物。

(四)滲碳濃度加劇過(guò)渡

⒈產(chǎn)生的原因及危害:滲碳濃度突然過(guò)渡就是表面與中心的碳濃度變化加劇，不是由高到低的均勻過(guò)渡，而是突然過(guò)渡。產(chǎn)生此缺陷的原因是滲碳劑作用很強(qiáng)烈(如新配制的木炭，舊滲碳劑加得很少)，同時(shí)鋼中有Cr、Mn、Mo等合金元素是促使碳化物形成強(qiáng)烈，而造成表面高濃度，中心低濃度，并無(wú)過(guò)渡層。產(chǎn)生此缺陷后造成表里相當(dāng)大的內(nèi)應(yīng)力，在淬火過(guò)程中或磨削過(guò)程中產(chǎn)生裂紋或剝落現(xiàn)象。

⒉防止的方法:滲碳劑新舊按規(guī)定配比制，使?jié)B碳緩和。用BaCO3作催滲劑較好，因?yàn)镹a2CO3比較急劇。

(五)磨加工時(shí)產(chǎn)生回火及裂紋

⒈產(chǎn)生的原因:滲碳層經(jīng)磨削加工后表面引起軟化的現(xiàn)象，稱(chēng)之為磨加工產(chǎn)生的回火。這是由于磨削時(shí)加工進(jìn)給量太快，砂輪硬度和粒度或轉(zhuǎn)速選擇不當(dāng)，或磨削過(guò)程中冷卻不充分，都易產(chǎn)生此類(lèi)缺陷。這是因?yàn)槟ハ鲿r(shí)的熱量使表面軟化的緣故。磨削時(shí)產(chǎn)生回火缺陷則零件耐磨性降低。

表面產(chǎn)生六角形裂紋。這是因?yàn)橛糜操|(zhì)砂輪表面受到過(guò)份磨削，而發(fā)熱所致。也與熱處理回火不足，殘余內(nèi)應(yīng)力過(guò)大有關(guān)。用酸浸蝕后，凡是有缺陷部位呈黑色，可與沒(méi)有缺陷處區(qū)別開(kāi)來(lái)。這是磨削時(shí)產(chǎn)生熱量回火。使馬使體轉(zhuǎn)變?yōu)榍象w組織的緣故。其實(shí)，裂紋在磨削后肉眼即可看見(jiàn)。

⒉防止的方法:

①淬火后必須經(jīng)過(guò)充分回火或多次回火，消除內(nèi)應(yīng)力。

②采用40~60粒度的軟質(zhì)或中質(zhì)氧化鋁砂輪，磨削進(jìn)給量不過(guò)大。

③磨削時(shí)先開(kāi)冷卻液，并注意磨削過(guò)程中的充分冷卻淬火 :

1、 直接淬火低溫回火

組織及性能特點(diǎn):不能細(xì)化鋼的晶粒。工件淬火變形較大，合金鋼滲碳件表面殘余奧氏體量較多，表面硬度較低

適用范圍: 操作簡(jiǎn)單，成本低廉用來(lái)處理對(duì)變形和承受沖擊載荷不大的零件，適用于氣體滲碳和液體滲碳工藝。

2 、 預(yù)冷直接淬火、低溫回火，淬火溫度800-850℃

組織及性能特點(diǎn):可以減少工件淬火變形，滲層中殘余奧氏體量也可稍有降低，表面硬度略有提高，但奧氏體晶粒沒(méi)有變化。

適用范圍: 操作簡(jiǎn)單，工件氧化、脫碳及淬火變形均小，廣泛應(yīng)用于細(xì)晶粒鋼制造的各種工具。

3、 一次加熱淬火，低溫回火，淬火溫度820-850℃或780-810℃

組織及性能特點(diǎn):對(duì)心部強(qiáng)度要求較高者，采用820-850℃淬火，心部為低碳M，表面要求硬度高者，采用780-810℃淬火可以細(xì)化晶粒。

適用范圍: 適用于固體滲碳后的碳鋼和低合金鋼工件、氣體、液體滲碳的粗晶粒鋼，某些滲碳后不宜直接淬火的工件及滲碳后需機(jī)械加工的零件。

4、 滲碳高溫回火，一次加熱淬火，低溫回火，淬火溫度840-860℃

組織及性能特點(diǎn):高溫回火使M和殘余A分解，滲層中碳和合金元素以碳化物形式析出，便于切削加工及淬火后殘余A減少。

適用范圍: 主要用于Cr-Ni合金滲碳工件

5、 二次淬火低溫回火

組織及性能特點(diǎn):第一次淬火(或正火)，可以消除滲碳層網(wǎng)狀碳化物及細(xì)化心部組織(850-870℃)，第二次淬火主要改善滲層組織，對(duì)心部性能要求不高時(shí)可在材料的Ac1-Ac3之間淬火，對(duì)心部性能要求高時(shí)要在Ac3以上淬火。

適用范圍: 主要用于對(duì)力學(xué)性能要求很高的重要滲碳件，特別是對(duì)粗晶粒鋼。但在滲碳后需經(jīng)過(guò)兩次高溫加熱，使工件變形和氧化脫碳增加，熱處理過(guò)程較復(fù)雜。

6、 二次淬火冷處理低溫回火

組織及性能特點(diǎn):高于Ac1或Ac3(心部)的溫度淬火，高合金表層殘余A較多，經(jīng)冷處理(-70℃/-80℃)促使A轉(zhuǎn)變從而提高表面硬度和耐磨性。

適用范圍: 主要用于滲碳后不進(jìn)行機(jī)械加工的高合金鋼工件。

7、 滲碳后感應(yīng)加熱淬火低溫回火

組織及性能特點(diǎn):可以細(xì)化滲層及靠近滲層處的組織。淬火變形小，不允許硬化的部位不需預(yù)先防滲。

適用范圍: 各種齒輪和軸類(lèi)

按含碳介質(zhì)的不同﹐滲碳可分為固體滲碳﹑液體滲碳﹑氣體滲碳、離子滲碳和真空滲碳。

感應(yīng)加熱就是利用電磁感應(yīng)在工件內(nèi)產(chǎn)生渦流而將工件進(jìn)行加熱。