德星人 2021-03-12

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4。2 表面淬火工藝原理

一、鋼在非平衡加熱時的相變特點

如前所述，鋼在表面淬火時，其基奉條件是有足夠的能量密度提供表面加熱，使表面有足夠快的速度達到相變點以上的溫度。因此，表面淬火時，鋼處於非平衡加熱。

鋼在非平衡加熱時有如下特點：

1．在一定的加熱速度範圍內，臨界點隨加熱速度的增加而提高。

在快速加熱時均隨著加熱速度的增加而向高溫移動。但當加熱速度大到某一範圍時，所有亞共析鋼的轉變溫度均相同。加熱速度愈快，奧氏體形成溫度範圍愈寬，但形成速度快；形成時間短．加熱速度對奧氏體開始形成溫度影響不大，但隨著加熱速度的提高，顯著提高了形成終了溫度．原始組織愈不均勻，最終形成溫度提得愈高．

2．奧氏體成分不均勻性隨著加熱速度的增加而增大

如前所述，隨著加熱速度的增大，轉變溫度提高，轉變溫度範圍擴大．隨著轉變溫度的升高，與鐵素體相平衡的奧氏體碳濃度降低，而與滲碳體相平衡的奧氏體碳濃度增大．因此，與鐵素體相毗鄰的奧氏體碳濃度將和與滲碳體相毗鄰的奧氏體中碳濃度有很大差異。由於加熱速度快，加熱時間短，碳及合金元素來不及擴散，將造成奧氏體中成分的不均勻，且隨著加熱速度的提高，奧氏體成分的不均勻性增大。例如0。4％C碳鋼，當以130℃／s的加熱速度加熱至900℃時，奧氏體中存在著1。6％C的碳濃度區．顯然，快速加熱時，鋼種、原始組織對奧氏體成分的均勻性有很大影響．對熱傳導係數小，碳化物粗大且溶解困難的高合金鋼採用快速加熱是有困難的．

3．提高加熱速度可顯著細化奧氏體晶粒．

快速加熱時，過熱度很大，奧氏體晶核不僅在鐵素體一碳化物相介面上形成，而且也可能在鐵素體的亞晶界上形成，因此使奧氏體的成核串增大。又由於加熱時間極短，奧氏體晶粒來不及長大．當用超快速加熱時，可獲得超細化晶粒。

4．快速加熱對過冷奧氏體的轉變及馬氏體回火有明顯影響．

快速加熱使奧氏體成分不均勻及晶粒細化，減小了過冷奧氏體的穩定性，使c曲線左移．由於奧氏體成分的不均勻性，特別是亞共析鋼，還會出現二種成分不均勻性現象。在珠光體區域，原滲碳體片區與原鐵索體片區之間存在著成分的不均勻性，這種區域很傲小，即在微小體積內的不均勻性．而在原珠光體區與原先共析鐵索體塊區也存在著成分的不均勻性，這是大體積範圍內的不均勻性．由於存在這種成分的大體積不均勻性，將使這二區域的馬氏體轉變點不同，馬氏體形態不同．即相當於原鐵素體區出現低碳馬氏體，原珠光體區出現高碳馬氏體．由於快速加熱奧氏體成分的不均勻性，淬火後馬氏體成分也不均勻，所以，儘管淬火後硬度較高，但回火時硬度下降較快，因此回火溫度應比普通加熱淬火的略低。

二、表面淬火的組織與效能

1．表面淬火的金相組織

鋼件經表面淬火後的金相組織與鋼種、淬火前的原始組織及淬火加熱時沿截面溫度的分佈有關。最簡單的是原始組織為退火狀態的共析鋼。淬火以後金相組織應分為三區，自表面向心部分別為馬氏體區 （M） （包括殘餘奧氏體），馬氏體加珠光體 （M十P）及珠光體 （P）區。這裡所以出現馬氏體加珠光體區，因快速加熱時奧氏體是在一個溫度區間、並非在一個恆定溫度形成的，其界限相當於沿截面溫度曲線的奧氏體開始形成溫度及奧氏體形成終了溫度．在全馬氏體區，自表面向裡，由於溫度的差別，在有情況下也可以看到其差別，最表面溫度高，馬氏體較粗大，中間均勻細小，緊靠開始形成溫度區，由於其淬火前奧氏體成分不均勻，如腐蝕適當，將能看到珠光體痕跡（“珠光體靈魂”）．在溫度低於奧氏體形成終了溫度區，由於原為退火組織，加熱時不能發生組織變化，故為淬火前原始組織．

若表面淬火前原始組織為正火狀態的45鋼，則表面淬火以後其金相組織沿截面變化將要複雜得多．如果採用的是淬火烈度很大的淬火介質，即只要加熱溫度高於臨界點，凡是奧氏體區均能淬成馬氏體，按其金相組織分為四區，表面馬氏體區（M），往裡為馬氏體加鐵素體（M+F），再往裡為馬氏體加鐵索體加珠光體區，中心相當於溫度低於奧氏體開始形成溫度區為淬火前原始組織，即珠光體加鐵索體。在全馬氏體區，金相組織也有明顯區別，在緊靠相變點Ac3區，相當於原始組織鐵索體部位為腐蝕顏色深的低碳馬氏體區，相當於原來珠光體區為不易腐蝕的隱晶馬氏體區，二者顏色深淺差別很大（圖4-5b）。由此移向淬火表面，低碳馬氏體區逐漸擴大，顏色逐漸變淺，而隱晶馬氏體區顏色增深，靠近表面變成中碳馬氏體（如圖4-5a）。

圖4-5 45鋼表面淬火後不同加熱溫度區的金相組織

若45鋼表面淬火前原始組織為調質狀態，由於回火索氏體為粒狀滲碳化均勻分佈在鐵素體基體上的均勻組織，因此表面淬火後不會出現由於上述那種碳濃度大體積不均勻性所造成的淬火組織的不均勻．在截面上相當於Acl與Ac3，溫度區的淬火組織中，未溶鐵索體也分佈得比較均勻．在淬火加熱溫度低於Ac1，至相當於調質回火溫度區，如圖4-6中C區，由於其溫度高於原調質回火溫度而又低於臨界點，因此將發生進一步回火現象。表面淬火將導致這一區域硬度下降（圖4—6）．這一部分的回火程度取決於引數M，其區域大小取決於表面淬火加熱時沿截面的溫度梯度。加熱速度愈快，沿截面的溫度梯度愈陡，該區域愈小．由於加熱速度快，加熱時間短，引數M小，回火程度也減小．

表面淬火淬硬層深度一般計至半馬氏體（50％M）區，宏觀的測定方法是沿截面製取金相試樣，用硝酸酒精腐蝕，根據淬硬區與未淬硬區的顏色差別來確定（淬硬區顏色淺）；也可借測定截面硬度來決定。

圖4-6原始組織為調質狀態的45鋼表面淬火後沿截面硬度

2．表面淬火後的效能

（1）表面硬度

快速加熱，激冷淬火後的工件表面硬度比普通加熱淬火高。例如鐳射加熱淬火的45鋼硬度比普通淬火的可高4個洛氏硬度單位；高頻加熱噴射淬火的，其表面硬度比普通加熱淬火的硬度也高2～3個洛氏硬度單位。這種增高硬度現象與加熱溫度及加熱速度有關．當加熱速度一定，在某一溫度範圍內可以出現增加硬度的現象，提高加熱速度，可使這一溫度範圍移向高溫，看來這和快速加熱時奧氏體成分不均勻性、奧氏體晶粒及亞結構細化有關。

（2）耐磨性

快速加熱表面淬火後工件的耐磨性比普通淬火的高。快速表面淬火的耐磨性優於普通淬火的。看來，這也與其奧氏體晶粒細化、奧氏體成分的不均勻，表面硬度較高及表面壓應力狀態等因素有關。

（3）疲勞強度

採用正確的表面淬火工藝，可以顯著地提高零件的抗疲勞效能。例如40Gr鋼，調質加表面淬火（淬硬層深度0，9mm）的疲勞極限為324N／mm2，而凋質處理的僅為235N／mm2。表面淬火還可顯著地降低疲勞試驗時的缺口敏感性。表面淬火提高疲勞強度的原因，除了由於表層本身的強度增高外，主要是因為在表層形成很大的殘餘壓應力。表面殘餘壓應力愈大，工件抗疲勞效能愈高。

3．表面淬火淬硬層深度及分佈對工件承載能力的影響

雖然表面淬火有上述優點，但使用不當也會帶來相反效果。例如淬硬層深度選擇不當，或區域性表面淬火硬化層分佈不當，均可在區域性地方引起應力集中而破壞。

（1）表面淬火硬化層與工件負載時應力分佈的匹配即表面淬火淬硬層深度必須與承載相配。

（2）表面淬硬層深度與工件內殘餘應力的關係

由第三章所採用類似的分析方法可知，表面淬火時由於僅表面加熱，僅表面發生脹縮，故表面將承受壓應力。淬火冷卻時表面熱應力為拉應力，而表面組織應力為壓應力，二者疊加結果，表面殘餘應力為壓應力。這種內應力由於表面部分加熱和冷卻時的脹縮和組織轉變時的比容變化所致，顯然其應力大小及分佈與淬硬層深度有關．試驗表明，在工件直徑一定的情況下，隨著硬化層深度的增厚，表面殘餘壓應力先增大，達到一定值後，若再繼續增厚硬化層深度，表面殘餘壓應力反而減小。殘餘應力還與沿淬火層深度的硬度分佈有關，即與馬氏體層的深度、過渡區的寬度及工件截面尺寸之間的比例有關。