热处理淬火变形因素的探讨与教学

陈 芳

摘要:热处理淬火变形是导致工件精度不能提高的重要原因之一,在产品质量要求不断提高的今天,如何将热处理淬火变形减小到最低程度,已是我们必须面对的重要课题。热处理界通常认为“淬火变形问题很复杂”,这主要是因为影响淬火变形的因素很多,本文就热处理淬火变形的主要因素进行了探讨。

关键词:热处理;淬火变形;因素

在实际生产中,影响淬火热处理变形的因素有很多,其中主要包括钢的原始组织、零件尺寸和形状、淬火介质的选择、淬火工艺、钢的淬透性等。

一、 钢的淬透性对零件淬火热处理变形的影响

淬透性不同的钢材,淬火后得到的淬硬层深度也不同,钢的淬透性与钢的临界冷却速度有密切的关系,临界冷却速度越低,钢的淬透性越好。因此淬透性好的钢,在淬火冷却时就可采用比较缓和的淬火介质,从而有效减少工件淬火的变形及开裂倾向。钢的淬透性主要取决于钢本身的内在因素,即钢的化学成分和奥氏体的状态。凡是能增加过冷奥氏体稳定性的因素都能提高钢的淬透性。例如,钢中加入合金元素Mn、Cr、Si、Ni等,当它们溶入γ-Fe后,就能增加过冷奥氏体的稳定性,降低临界冷却速度,从而使钢的淬透性提高。因此,在机械制造中,对于形状复杂的、受力较大的或大截面的重要零件应选择淬透性好的合金钢,经淬火及回火处理,既能获得所需要的力学性能,又能减少变形及开裂。

二、 钢的原始组织对零件淬火变形的影响

工件淬火前的原始组织,例如,碳化物的形态、大小、数量及分布,合金元素的偏析,锻造和轧制形成的纤维方向都对工件的热处理变形有一定影响。球状珠光体比片状珠光体比体积大,强度高,所以经过预先球化处理的工件淬火变形相对要小。如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢等,这些钢在锻造加工以后,必须进行球化退火,将片状珠光体变为球状珠光体。在淬火加热时,奥氏体晶粒不易长大,冷却时工件的变形和开裂倾向小。另外,偏析现象和网状组织,对淬火后工件的变形、特别是对细长轴的弯曲变形影响很大。材料的本质晶粒度越细,屈服强度越高,对变形的抗力越大,工件淬火后的变形量就相应减小。条状碳化物分布对工件的热处理变形有很大影响,淬火后平行于碳化物条带方向工件膨胀,与碳化物条带相垂直的方向则收缩,碳化物颗粒愈粗大,条带方向的膨胀愈大。对于Cr12类型钢和高速钢等莱氏体钢来说,碳化物的形态和分布对淬火变形的影响尤为显著。由于碳化物的热膨胀系数小,约为基体的70%,因而在加热时,沿条带状分布的碳化物方向上,膨胀较小的碳化物抑制了基体的伸长;而冷却时,收缩较小的碳化物又会阻碍基体的收缩。由于奥氏体化加热温度较缓慢,碳化物对基本膨胀的抑制作用较弱,故条带状分布的碳化物对工件淬火加热变形的方向性影响较小。但在淬火冷却时,由于冷却速度快,碳化物对基体收缩的抑制作用增大,所以淬火后沿碳化物条带方向呈现较大的伸长。

三、 淬火介质对零件淬火热处理变形的影响

淬火为了得到马氏体,冷却速度就必须大于临界冷却速度,而过快冷却又会引起很大的内应力,造成工件的严重变形,甚至开裂。但根据碳钢的过冷奥氏体等温转变曲线可以知道,要求淬火得到马氏体并不需要在整个冷却过程中都进行快速冷却,其关键是在c曲线鼻尖部附近(550℃左右)需要快冷,而在650℃以上或400℃以下温度范围,并不需要快冷,特别在Ms线附近发生马氏体转变时需要缓慢冷却,使马氏体转变时产生的热应力和组织应力最小,以防止淬火变形和开裂。大量的生产实践表明,在都能满足淬硬要求的条件下,油中淬火后工件的淬火变形通常比水性介质中的要小,热油中淬火的变形又更小。与油性介质相比,采用高压气淬或者在低温盐浴中淬火的工件变形程度还更小。

四、 零件的几何形状对零件淬火变形的影响

为了防止变形和开裂的产生,从零件本身考虑,应力求结构对称,截面均匀,尽量避免尖角。几何形状复杂,截面形状不对称的工件,例如带有键槽的轴、键槽拉刀等,淬火冷却时,一侧散热快,另一侧散热慢,是一种不均匀的冷却。如果在Ms以上的不均匀冷却引起的变形占优势,则冷却快的一面是凹面;若在Ms以下的不均匀冷却引起的变形占优势,则冷却快的一面是凸面。增加等温时间,增长贝氏体转变量,使残余奥氏体更加稳定,减小空冷中的马氏体转变量,可使工件的变形量显著减小。

五、 淬火方法对零件淬火变形的影响

在实际生产中,目前还没有一种冷却介质能完全满足理想淬火介质的要求,所以还应根据工件的成分、尺寸、形状和技术要求选择合适的淬火方法。例如:双介质淬火、马氏体分级淬火、贝氏体等温淬火等。双介质淬火在钢件奥氏体化后,先淬入一种冷却能力强的介质中,在钢件还未达到该液淬火介质温度之前取出,马上浸入另一种冷却能力弱的介质中冷却,这样钢件既能淬硬,又能显著减小淬火应力。这种淬火方法常用于淬透性不高的碳钢所制成工模具,以及要求得到较大淬硬层的合金钢大件;马氏体分级淬火在钢材奥氏体化后,随之投入温度在钢的Ms点左右的液态介质(盐浴或碱浴)中,保持适当时间,待钢件的内外层都达到介质温度后取出空冷,以获得马氏体组织的淬火方法。马氏体分级淬火既避免高温时奥氏体分解,又达到低温时缓慢冷却的目的,减小了淬火应力,且硬度均匀。分级淬火是防止变形和开裂的有效淬火方法。马氏体分级淬火法在工艺上虽然比较理想,操作容易,但由于它在盐浴或碱浴中的冷却速度较慢,故只适用于过冷奥氏体比较稳定的合金钢、或尺寸较小的零件;贝氏体等温淬火在钢件加热奥氏体化后,随之快冷到贝氏体转变温度区间等温保持,使奥氏体转变为下贝氏体的淬火方法。下贝氏体组织中的碳化物弥散度大,具有高硬度和良好的韧性。等温淬火处理的内应力显著下降,变形量小,适于处理小型的精密零件,如冷、热冲模,精密齿轮等。另外,由于下贝氏体组织结构均匀,产生微裂纹的可能性很小。

总之,淬火热处理变形的影响因素是十分复杂的问题。在制定淬火热处理工艺时,应充分考虑工件的形状、钢中的碳含量,根据工件所要求的力学性能,合理选择淬火方法及冷却介质,防止变形及开裂,提高产品质量。

(大丰市职业技术教育中心)