選定合適的淬火方法

為了完成淬火工藝，工件必須從奧氏體化溫度以大于鋼的臨界冷卻速度進行急冷。由于急冷而產(chǎn)生的熱應力使外層受壓內(nèi)層受拉，這對防止產(chǎn)生淬火裂紋是有利的。從這個意義講，在奧氏體區(qū)域越是急冷，則越能防止開裂。但是零件從高溫區(qū)急冷下來，往往使低溫區(qū)的冷卻也變快，這樣又增加了淬裂的危險。當工件冷到Ms點以下時，因馬氏體相變產(chǎn)生相變應力，在這個區(qū)域工件冷速越大，相變應力越大，表層拉應力越高。當相變應力與熱應力之差超過鋼材斷裂強度時，則導致淬火裂紋。為了防止淬裂，應選擇增加熱應力、減少相變應力的淬火方式。

過冷奧氏體塑性高，急冷到低溫區(qū)也不會開裂。溫度剛低于點時，由于馬氏體量尚少，相變應力小，鋼件也不會立即開裂。過冷奧氏體急冷收縮，而到點時逆轉(zhuǎn)而膨脹，在急縮猛脹的轉(zhuǎn)折階段，容易導致開裂。實際上，當產(chǎn)生體積分數(shù)為50％的馬氏體時，才是淬裂的危險時刻。多數(shù)工具鋼冷至120～150℃時，這是最危險的溫度區(qū)間，此刻應特別注意緩冷?？傊鶕?jù)零件的結(jié)構(gòu)特點、技術(shù)要求，結(jié)合設(shè)備狀況、工人素質(zhì)等正確合理地選擇淬火方法，則可以大大減少或者不發(fā)生淬裂事故。

1. 預冷淬火

預冷淬火是淬火時零件先在空氣、油、熱?。ɑ驖B碳氣氛）中，預冷到略高于Ar3的溫度后，再迅速置于淬火介質(zhì)中淬火，又叫降溫淬火或延遲淬火。這是生產(chǎn)現(xiàn)場常用的熱處理方法。

淬火前的預冷可以減少熱應力，使工件變形和開裂傾向減小。研究表明，預冷淬火還可以增加大工件的淬硬層，提高機械零件的綜合性能。對于形狀復雜，截面突變的某些零件，單液直接淬火，往往在截面突變的接壤區(qū)因淬火應力集中而導致開裂。這時可采用預冷淬火，使各部分溫差減小，或在技術(shù)條件允許的情況下，使其最薄的截面處或棱角處產(chǎn)生部分非馬氏體組織，然后再進行全部淬火，這樣可避免或減少淬火裂紋。

預冷淬火的預冷時間（從奧氏體化溫度冷到危險截面處溫度650℃）對于一般碳鋼及低合金鋼可按下式估計

T=12+RS

式中：

T-工件預冷時間（s）；

S-危險截面處的厚度(mm)，一般指工件最薄的地方；

R-與工件尺寸有關(guān)的系數(shù)，一般為3-4s/mm。

研究表明，預冷淬火對提高工件的淬硬層深度，改善工件的服役性能也有顯著作用。這是由于預冷淬火使工件表層平均冷速降低，次表層冷速提高，平均冷速分布曲線趨于平緩。同時，預冷使工件表面冷卻特性有所改善，傳熱系數(shù)峰值向高溫區(qū)移動。以上兩點都有助于提高淬硬層的深度，降低淬火應力。此外，預冷提高淬硬層深度效果與鋼的淬透性及工件尺寸有密切關(guān)系，對于具有一定淬透性的低中碳低合金鋼及中等尺寸的工件效果最明顯。

2. 多介質(zhì)淬火法

根據(jù)選用的淬火介質(zhì)的不同和操作方法的特點，多介質(zhì)淬火法可分為雙介質(zhì)淬火、三介質(zhì)淬火等。

雙介質(zhì)淬火是將加熱好的工件先淬入冷卻能力較強的介質(zhì)，待工件溫度降至奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖（C曲線）“鼻溫"以下溫度時，再淬入冷卻能力較弱的介質(zhì)中繼續(xù)冷卻，以獲得馬氏體組織。雙介質(zhì)淬火所用的淬火介質(zhì)有水-油、水-空氣、鹽水-油、油-空氣、硝鹽-空氣、堿液-空氣、水-硝鹽、油-硝鹽、硝鹽-油等?？筛鶕?jù)鋼的淬透性、工件形狀尺寸、對變形的要求來選定。生產(chǎn)中大量采用的水-油淬火，多用于碳素工具鋼及大截面的低合金工具鋼的工件。即在高溫區(qū)用鹽水的快速冷卻抑制過冷奧氏體的分解，在低于400℃溫度時，立即轉(zhuǎn)入油中緩慢冷卻，以減小淬火內(nèi)應力，防止淬火裂紋。

工件在第一種介質(zhì)中的停留時間，是雙介質(zhì)淬火時至關(guān)重要的一個參數(shù)。在第一種介質(zhì)中停留時間過長，就變成單液淬火，起不到減小變形、防止開裂的作用。若過早地置人第二種介質(zhì)中，則由于工件的溫度尚高，介質(zhì)的冷卻速度又慢，在冷卻過程中則發(fā)生非馬氏體型組織轉(zhuǎn)變。變換冷卻介質(zhì)可由工藝人員，根據(jù)工件所用的鋼材、工件的形狀及尺寸等因素來確定。對于碳素工具鋼工件，般以每3mm有效厚度在水中停留1s計算；·對于形狀復雜者，每4-5mm在水中停留1s計算；大截面低合金鋼，可以按每毫米有效厚度在水中停留1.5-3s計算。在生產(chǎn)實踐中，有時可用聽水聲來確定在水中停留的時間，即當工件在水中冷卻到發(fā)出“咝咝”聲時，立即將其提出水面轉(zhuǎn)人油中冷卻。有時也可用手握鐵鉤子傳導的感覺來判斷時間，即鋼件在水中振動稍有消失時，立即轉(zhuǎn)人油中。

為了減少高合金鋼制件淬火時形成裂紋，首先將工件淬入油中冷卻到一定溫度（近于Ms點）時，提出油面，在空氣中冷卻。這時由于熱量尚多，致使鋼件上的殘油達到閃點溫度而起火。由于大多數(shù)油的閃點近于高合金鋼的Ms點溫度，所以用此法控制油中的停留時間是可靠的。

對于形狀復雜而變形要求又較嚴格的工件，有時雙液淬火仍不能控制變形和開裂，而需要采用冷卻能力依次減少的三種淬火介質(zhì)，稱為三液淬火。三液淬火多應用于碳素鋼制造的小型工件。工件在各個淬火介質(zhì)中的停留時間視工件形狀大小、淬火介質(zhì)性能等因素，由試驗來確定。

3. 分級淬火

分級淬火是將工件從淬火溫度，直接快速冷卻到Ms點以上某一溫度，經(jīng)適當時間保溫，使工件表面與心部的溫度均勻后，再取出空冷，使工件在緩慢冷卻下進行馬氏體轉(zhuǎn)變的淬火方法。這一方法可以有效地防止淬火開裂。

分級淬火時，鋼件由高溫淬入點以上10-20℃熱浴中所產(chǎn)生的熱應力，比雙液淬火小，而且在恒溫停留時可消除一部分熱應力。在隨后的空氣冷卻時，沿工件整個截面，幾乎同時發(fā)生過冷奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，因而也就減小了相變應力。綜上所述，Ms點以上的分級淬火的主要優(yōu)點是能夠降低淬火零件的變形開裂傾向。其次，與普通淬火方法相比較，Ms點以上的分級淬火，能夠保證工件強度、硬度相同的條件下，具有較高的韌度，特別是對低溫回火的工件，沖擊韌度的提高尤其顯著。這間接地表明鋼的斷裂強度有較大的提高，從而也降低了淬火開裂的傾向。

對于高碳高合金鋼，一般淬火加熱溫度較高，而點又較低，用普通淬火方法可能產(chǎn)生較嚴重的變形和開裂。如只用一次分級淬火難避免較大的相變應力及熱應力。因此，對于截面尺寸較大、形狀復雜、易于變形和開裂的高速鋼刀具可采用逐次降溫的兩次或三次分級的分級淬火方法。多次分級淬火的分級溫度一般為600-650℃、450-550℃和300-350℃等。

鋼制零件加熱奧氏體化后，淬火溫度在奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖（c曲線）“港灣''區(qū)間的熱浴中，等溫保持適當?shù)臅r間后的冷卻淬火方法稱奧氏體等溫處理。這也是一類分級淬火法，它主要用在高速鋼刀具和一些超高強度鋼所制的零件、壓力容器及模具、齒輪等的熱處理中。最近將這種方法用在超高強度鋼所制零件的淬火處理中，取得了很好的效果。一些超高強度鋼的塑性較低，對于形狀復雜的零件，用普通淬火方法難以避免變形和開裂。如果用一般分級淬火，雖然可將相變應力顯著減少，但是在冷卻至熱浴溫度的冷卻過程中，零件可能已發(fā)生嚴重的變形和開裂。不少超高強度鋼如同高速鋼一樣，在高溫和中溫轉(zhuǎn)變之間，常有一個過冷奧氏體孕育期很長的溫度范圍。如將工件自奧氏體化溫度空冷到這溫度區(qū)域的某個溫度后，淬入同溫度的熱浴中保溫，使零件內(nèi)外均溫，然后在空氣或鹽浴中冷卻（以不發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樵瓌t），則仍可得到全部的馬氏體，隨后再進行適當溫度的回火。用這種方法處理后，鋼的強度、韌性與一般淬火相同，應力及變形卻甚微，從而防止了變形開裂。

4.馬氏體等溫淬火

零件奧氏體化后淬入低于Ms點以下50～100℃的熱浴中等溫保持，以獲得馬氏體的淬火方法稱為馬氏體等溫淬火。這種淬火方法的冷卻速度較分級淬火時快，故適用淬透性略低的鋼種制造的零件，同時也可起到減少變形和防止開裂的作用。

以熱油作為馬氏體等溫淬火的淬火介質(zhì)最方便，簡單易行。在130、1℃熱油中淬火，能夠在較緩慢的冷卻速度下使奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，因而產(chǎn)生較小的內(nèi)應力，變形開裂傾向也較小。例如：9SiCr鋼剪刀在冷油中淬火開裂傾向大，而改用160～190℃熱油淬火30-60min后空冷，可完全避免淬火裂紋。

5·薄殼淬火

薄殼淬火是將低淬透性的鋼制工件，整體加熱后，用水、鹽水等快速地冷卻，使其表面得到一定深度均勻的馬氏體殼層。它使表層產(chǎn)生殘余壓應力，這不僅可提高工件的彎曲疲勞強度，而且可以防止淬火裂紋。從熱應力的形成過程來看，冷卻最終使表面具有壓應力。從相變應力看，表層發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，體積膨脹，心部未淬透不發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，體積收縮，因而也使表面具有壓應力。二者疊加后，構(gòu)成很大的殘余壓應力。由于淬火裂紋是拉應力作用造成，所以薄殼淬火產(chǎn)生的壓應力可避免工件淬裂。

6. 間斷淬火

法將加熱好的工件淬入水中，數(shù)秒后隨即提出水面，在空氣中稍待一定時間，再淬入水中。如此往復幾次，最后浸人水中冷至室溫，稱為間斷淬火。這種淬火方法可在保證淬硬的前提下：盡可能減少工件的變形，也有利防止淬火開裂。這是由于在工件被提出介質(zhì)時，表層急冷而轉(zhuǎn)變的馬氏體因工件內(nèi)部熱量而被回火，減少了內(nèi)應力的緣故。鏨子、扁鏟、模具等常用這種方法進行淬火。

7. 淺冷淬火

有些工件在淬火時，自高溫一直冷卻到室溫（或淬火介質(zhì)溫度），因淬火應力較大，極易發(fā)生變形開裂。為避免這種現(xiàn)象，可采用淺冷淬火，即在淬火時，嚴格控制工件在淬火介質(zhì)中的停留時間，使其最終達到的溫度高于室溫數(shù)百攝氏度，從冷卻介質(zhì)中取出后，立即送人回火爐中進行回火，這種操作工藝稱為淺冷淬火。淺冷淬火適用于大、中型鍛模及某些大鍛件的淬火。

模具奧氏體化后，在空氣中冷至740、780℃，再淬入油中，控制冷卻時間。當模具的溫度約達到巧0～180℃時，立即送人回火爐中進行回火，這樣處理可以有效地防止模具開裂。此夕卜，應用淺冷淬火還可以進一步改善零件的力學性能，特別是改善鋼的低溫脆性敏感性。

8. 局部淬火

有些工件按技術(shù)要求僅需淬硬某一部分（如長鋸片刃部）；有些零件由兩種鋼材連接而成，如高速鋼接柄鉆頭，它們的淬火溫度不同，均需分別進行淬火。進行局部淬火，可以避免整體淬火產(chǎn)生裂紋。

局部淋水或浸油預冷淬火法也有利于防止淬火裂紋。有的工件結(jié)構(gòu)不均勻，多處厚度相差大，整體淬火時會出現(xiàn)組織轉(zhuǎn)變的不同時性，產(chǎn)生較大的內(nèi)應力而開裂。這時可將工件的薄壁處，或細頸處預先淋些水，或浸一下油進行預冷，使該處溫度達到3點附近，允許產(chǎn)生一些珠光體·鐵素體。然后進行鋼的整體淬火。由于薄壁處已發(fā)生預冷分解，具備較好的塑性，可避免開裂。但應注意的是已被水、油淋黑的部分不能立即淬火，而應等一會兒，待該處溫度回升后，確認已發(fā)生分解轉(zhuǎn)變，才能整體淬火。將薄壁處進行包扎石棉或鐵片，減少該處的過熱或急冷程度，也有利于防止開裂。