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金屬材料淬火新工藝

在長期的生產實踐和科學實驗中,人們對金屬內部組織狀態變化規律的認識不斷深入,特別是從60年代以來,透射電鏡和電子衍射技術的應用,各種測試技術的不斷完善,在研究馬氏體形態、亞結構及其與力學性能的關系,獲得不同形態及亞結構的馬氏體的條件,第二相的形態、大小、數量及分布對力學性能影響等方面,都取得了很大的進展,建立在這些基礎上的淬火新工藝也層出不窮。
㈠循環快速加熱淬火
    淬火、回火鋼的強度與奧氏體晶粒大小有關,晶粒愈細,強度愈高,因而如何獲得高于10級晶粒度的超細晶粒是提高鋼的強度的重要途徑之一。鋼經過α→γ→α多次相變重結晶可使晶粒不斷細化;提高加熱速度,增多結晶中心也可使晶粒細化。循環快速加熱淬火即為根據這個原理獲得超細晶粒從而達到強化的新工藝。例如45鋼,在815℃的鉛浴中反復加熱淬火4-5次,可使奧氏體晶粒由6級細化到12~15級;又如20CrNi9Mo鋼,用3000赫芝200千瓦中頻感應加熱裝置以11℃/s的速度加熱到760℃,然后水淬,使σs由960MN/m2增加到1215MN/m2,氣由1107MN/m2,增加到1274MN/m2,而延伸率保持不變,均為18%。
㈡高溫淬火
    這里高溫系相對正常淬火加熱溫度而言,低碳鋼和中碳鋼若用較高的淬火溫度,則可得到板條狀馬氏體,或增加板條馬氏體的數量,從而獲得良好的綜合性能。
    從奧氏體的含碳量與馬氏體形態關系的實驗證明,含碳量小于0.3%的鋼淬火所得的全為板條狀馬氏體。但是,普通低碳鋼淬透性極差,若要獲得馬氏體,除了合金化提高過冷奧氏體的穩定性外,只有提高奧氏體化溫度和加強淬火冷卻方可。例如用16Mn鋼制造五鏵犁犁臂,采用940℃在10%NaOH水溶液中淬火并低沮回火,可獲得良好效果。
    中碳鋼經高溫淬火可使奧氏體成分均勻:得到較多的析條狀馬氏體,以提高其綜合性能。例如AISl4340鋼,870℃淬油后,200℃回火,其σs為1621MN/m2, 斷裂韌性Kc為67.6MN/m,而在1200℃加熱,預冷至870℃淬油后200℃回火,σs為1586MN/m2,斷裂韌性Kc為81.8MN/m。 若在淬火狀態進行比較,高溫淬火的斷裂韌性比普通淬火的幾乎提高一倍。金相分析表明,高溫淬火避免了片狀馬氏體(孿晶馬氏體)的出現,全部獲得了板條狀馬氏體。此外,在馬氏體板條外面包著一層厚100-200朋殘余奧氏體,能對裂紋尖端應力集中起到緩沖作用,因而提高了斷裂韌性.
㈢高碳鋼低溫、快速、短時加熱淬火
    高碳鋼件一般在低溫回火條件下,雖然具有很高的強度,但韌性和塑性很低。為了改善這些性能,目前采用了一些特殊的新工藝。
    高碳、低合金鋼,采用快速、短時加熱。因為高碳低合金鋼的淬火加熱溫度一般僅稍高于Ac1點,碳化物的溶解、奧氏體的均勻化,靠延長時間來達到。如果采用快速,短時加熱,奧氏體中含碳量低,因而可以提高韌性。例如T10V鋼制鑿巖機活塞,采用720℃預熱16分鐘,850℃鹽浴短時加熱8分鐘淬火,220℃回火72分鐘、使用壽命由原來平均進尺500m提高至4000m。如前所述,高合金工具鋼一般采用比Ac1點高得多的淬火溫度,如果降低淬火溫度,使奧氏體中含碳量及合金元素含量降低,則可提高韌性。例如用W18Cr4V高速鋼制冷作棋具,采用1190℃低溫淬火,其強度和耐磨性比其它冷作模具鋼高,并且韌性也較好。
㈣亞共析鋼的亞溫淬火
    亞共析鋼在Ac1~Ac3之間的溫度加熱淬火稱為亞溫淬火.意即比正常淬火溫度低的溫度下淬火.其目的是提高沖擊韌性值,降低冷脆轉變溫度及回火脆傾向性,經930℃淬火+650℃回火+800℃亞溫淬火的韌性,隨著回火溫度的升高而單調提高,沒有回火脆性,亞溫淬火之所以能提高韌性及消除回火脆性的原因尚不清楚。有人認為主要是由于殘存著鐵素體,使脆化雜質原子P、Sb等在鐵索體富集之故。有人研究了直接應用亞溫淬火(不是作為中間處理的再加熱淬火)時淬火溫度對45、40Cr及60Si2鋼力學性能的影響,發現在Ac1到Ac3之間的淬火溫度對力學性能的影響有一極大值。在Ac3以下5~10℃處淬火時,硬度、強度及沖擊值都達到最大值,且略高于普通正常淬火。而在稍高于Ac1的某個溫度淬火時沖擊值最低。認為這可能是由于淬火組織為大量鐵素體及高碳馬氏體之故。
    顯然,亞溫淬火對提高韌性,消除回火脆性有特殊重要的意義。它既可在預淬火后進行、也可直接進行。淬火溫度究竟應選擇多高,實驗數據尚不充分,看法不完全一致。但是為了保證足夠的強度,并使殘余鐵索體均勻細小,亞溫淬火溫度以選在稍低于Ac1的溫度為宜.
㈤等溫淬火的發展
    近年來的大量實踐證明,在同等硬度或強度條件下,等溫淬火的韌性和斷裂韌性比淬火低溫回火的高。因此,人們在工藝上如何設法獲得下貝氏體組織作丁很多努力,發展了不少等溫淬火的方法,現簡單介紹如下:
⒈預冷等溫淬火
    該法采用兩個溫度不等的鹽浴,工件加熱后,先在溫度較低的鹽浴中進行冷卻,然后轉入等溫淬火浴槽中進行下貝氏體轉變;再取出后空冷。該法適用于淬透性較差或尺寸較大的工件.用低溫鹽浴預冷以增加冷卻速度,避免自高溫冷卻時發生部分珠光體或上貝氏體轉變。例如(0.5~0.5)%C十0.5%Mn鋼制3mm厚的收割機刀片,用普通等溫淬火硬度達不到要求,而改用先在250℃鹽浴中冷卻30秒種,然后移人320℃鹽浴中保持30分鐘,則達到要求。
⒉預淬等溫淬火
    將加熱好的工件先淬人溫度低于Ms點的熱浴以獲得,10%的馬氏體,然后移入等溫淬火槽中等溫進行下貝氏體轉變,取出空冷,再根據性能要求進行適當的低溫回火.當預淬中獲得的馬氏體量不多時,也可以不進行回火。
    該法是利用預淬所得的馬氏體對貝氏體的催化作用,來縮短貝氏體等溫轉變所需時間。因而該法適用于某些合金工具鋼下貝氏體等溫轉變需要較長時間的場合。在等溫轉變過程中,預淬得到的馬氏體進行了回火。
⒊分級等溫淬火
    在進行下貝氏體等溫轉變之前,先在中溫區進行一次(或二次)分級冷卻的工藝。該種工藝可減少熱應力及組織應力,工件變形開裂傾向性小,同時還能保持強度、塑性的良好配合,適合于高合金鋼(如高速鋼等)復雜形狀工具的熱處理。
㈥其它淬火方法
    此外,尚有液氮淬火法,即將工件直接淬入-196℃的液態氮中。因為液氮的汽化潛熱較小,僅為水的十一分之一,工件淬入液氮后立即被氣體包圍,沒有普通淬火介質冷卻的三個階段,因而變形、開裂較少,冷速比水大五倍。液氮淬火可使馬氏體轉變相當完全,殘余奧氏體量極少,可以同時獲得較高的硬度、耐磨性及尺寸穩定性。但成本較高,只適用于形狀復雜的零件。
    流態化床淬火的應用也日益廣泛。因其冷卻速度可調(相當于空氣到油的冷卻能力),且在表面不形成蒸汽膜,故工件冷卻均勻,撓曲變形小。由于冷卻速度可在相當于空冷至油冷的范圍內調節,因而可實現程序控制冷卻過程。它可以代替中斷淬火、分級淬火等規程來處理形狀復雜、變形要求嚴格的重要零件及工模具
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