浅析钢的淬透性和淬硬性

秦征平

本溪钢铁集团机械制造有限责任公司本钢第一机修厂 辽宁 本溪 117000

引言

钢的淬透性和淬硬性是两个不同的概念，经常容易混淆，在实际生产中又经常用到，现在我对钢材的淬透性和淬硬性从概念、各自的影响因素等方面加以分析。

1 钢的淬透性分析

淬透性(也叫可淬性）表示钢在淬火时能够得到淬硬层深度的能力；能够获得马氏体组织深度的能力，它是钢材本身固有的一个属性；钢的淬透性由钢的内在因素决定（如化学成分、纯净度、晶粒度、组织均匀性等），实际上是受珠光体或贝氏体转变孕育期（珠光体或贝氏体转变动力学TTT曲线“鼻尖”温度的孕育期所控制）。它是指钢在规定的条件下淬火时奥氏体转变为马氏体的容易程度；是决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性，是衡量不同钢种接受淬火能力的大小；它反映钢的过冷奥氏体的稳定性，即与钢的临界冷却速度有关，过冷奥氏体越稳定，临界淬火冷却速度越小，等温冷却TTT曲线越靠右侧；钢在一定条件下淬火冷却时，淬透层越深，钢的淬透性越好，淬硬性越好，从而决定钢在淬火后的淬硬深度和硬度分布的特性；凡抑制珠光体或贝氏体等过冷奥氏体分解产物形核的诸因素均能提高钢的淬透性，其影响淬透性规律的因素如下：

1.1 钢的化学成分的影响

合金元素对等温冷却TTT曲线（又叫C-曲线）形状位置的影响很大，一般来说除Co以外，绝大多数合金元素溶入奥氏体后使等温冷却TTT曲线右移，即增加过冷奥氏体的稳定性，降低钢的临界冷却速度并提高钢的淬透性，所以高碳钢淬透性好于中碳钢，中碳钢淬透性好于低碳钢，合金钢淬透性好于碳钢。

在不同的等温转变区域内，各种合金元素对过冷奥氏体的稳定性的影响是不同的。除钴以外，所有的合金元素都使等温转变TTT曲线右移，即增加过冷奥氏体的稳定性并提高钢的淬透性。在不同的等温转变区域内，各种合金元素对过冷奥氏体稳定性的影响是不同的。Mo、V、W、Cr、Mn、Ni等元素对推迟奥氏体到珠光体转变的作用很大，其中Mo的作用最强，但对于推迟奥氏体到贝氏体的转变，Mo不起作用；而C，Mn，Cr，Ni，Si等元素对推迟奥氏体到贝氏体转变有较大的影响。而B是影响淬透性最突出的元素，B的含量为0.0015%时，就可以大大提高钢的淬透性，特别是含碳量低时，B的效果更大。但超过0.007%时其影响变化不再增大。合金元素增加过冷奥氏体稳定性的作用只有在这些元素（特别是形成碳化物的元素）溶于奥氏体时，才能充分发挥出来。否则，将由于奥氏体中存在过多的碳化物，使形成碳化物的元素在奥氏体中浓度的急剧减少，反而使过冷奥氏体的稳定性下降，降低钢的淬透性。这种现象以Ti，V，W等元素较为明显。影响淬透性的主要元素是碳元素，钢中碳的含量有一个临界点，当含碳量在0.8～1.2%时，钢的淬透性最好；当含碳量小于1.2%时，随着奥氏体中碳浓度的提高，显著降低临界冷却速度，等温冷却TTT曲线右移，钢的淬透性增大；当含碳量大于1.2%时，钢的冷却速度反而随含碳量的升高而升高，等温冷却TTT曲线左移，钢的淬透性下降。共析碳素钢的过冷奥氏体相对于其他碳素钢来说是最稳定的。

图1 非共析钢和共析钢的TTT图比较

1.2 奥氏体化温度的影响

提高奥氏体化温度将使奥氏体晶粒长大，奥氏体成分更均匀，从而抑制珠光体或贝氏体的形核率，降低了临界淬火速度，可适当提高钢的淬透性。

1.3 钢种未溶第二项的影响

钢中未溶入奥氏体的碳化物、氮化物及其他非金属夹杂物，由于促进珠光体、贝氏体等相变形核，从而使钢的淬透性降低。

1.4 钢的原始组织的影响

钢的原始组织中，由于珠光体的类型（片状或粒状）及弥散度的不同，在奥氏体化时，将会影响到奥氏体的均匀性，从而影响到钢的淬透性。碳化物愈细小，溶入奥氏体愈迅速，从而有利于提高钢的淬透性，粗大的奥氏体晶粒能使等温冷却TTT曲线右移，降低了钢的临界冷却速度。但晶粒粗大将增大钢在淬火时的变形、开裂倾向和降低韧性。在相同冷却速度条件下，奥氏体成分越均匀，珠光体的形核率就越低，转变的孕育期增长，等温冷却TTT曲线右移，临界冷却速度减慢，钢的淬透性越高[1]。

2 钢的淬硬性分析

钢的淬硬性又叫可硬性，是指钢在理想条件下进行淬火硬化时所能达到的最高硬度的能力，也就是淬硬层的硬度。在正常淬火条件下，以超过临界淬火冷却速度进行冷却时，所形成的马氏体组织能够达到的最高硬度，用淬成马氏体可能得到的最高硬度来表示，它主要取决于马氏体的含碳量，更确切地说，它取决于淬火加热时固溶于奥氏体中的含碳量。马氏体中含碳量越高，钢的淬硬性越高，其他合金元素的影响比较小。低碳钢的淬火最高硬度值低，淬硬性差；高碳钢淬火最高硬底值高，淬硬性好。总之，钢的淬硬性是用合理淬火后所能表达的最高硬度来衡量的。钢材的淬透性和淬硬性是具有不同含义的两个概念，二者没有必然的联系。钢的淬透性取决于临界冷却速度的大小，取决于过冷奥氏体稳定性；取决于奥氏体的化学成分，即奥氏体中碳及合金元素的含量；奥氏体的状态（奥氏体成分均匀化程度、晶粒大小等）；钢中非金属夹杂物含量及分布等。而淬硬性主要取决于钢的含碳量，它们之间没有联系。钢的淬硬层厚度除取决于钢淬透性外，还与淬火冷却介质、工件尺寸、形貌、质量效应等外部因素有关。其影响淬硬性规律的因素如下：

2.1 化学成分的影响

决定钢淬硬性高低的主要因素是钢的含碳量，而钢中的合金元素对淬硬性影响不大。因此，含碳量相当的碳素钢和合金钢淬火后，它们的硬度值一般相差不多。

2.2 热处理过程中冷却介质的冷却特性和冷却速度的影响

在热处理过程中，冷却速度的快与慢大大影响钢的淬硬性能的高低，简单来说，冷却速度快的，淬硬性提高；冷却速度慢的，淬硬性降低，冷却介质不同导致其冷却速度的差异。

2.3 零件加工尺寸大小的影响

钢材产品尺寸的大小也在一定程度上影响着钢的淬透性的高低。一般情况下，同一种钢铁零件经过淬火得到马氏体组织，硬度应该一样，但是由于截面尺寸不同，在相同的冷却条件下得到不同得到冷却速度，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，质量效应越大，得到的冷却速度越慢，相应的转变后的组织硬度越低。

钢的淬透性取决于其临界冷却速度的高低，而淬硬性主要取决于钢的含碳量，它们之间没有必然关系。但淬硬性与淬透性成正比关系，淬硬性低的钢其淬透性差。