钢的淬火回火工艺参数的确定

钢的淬火回火工艺参数的确定

作者：长江挖掘机厂

1 前言

淬火是强化材料最有效的热处理工艺方法，其工艺参数的选择直接影响着材料的性能。这就要求热处理工作者不断创新，改进工艺，有效地发挥出材料的潜力，节约能源，降低生产成本。本文简述了钢的淬回火工艺参数的确定及量化依据。

2 淬火加热温度

按常规工艺，亚共析钢的淬火加热温度为Ac3＋（30～50℃）；共析和过共析钢为Ac1＋（30～50℃）；合金钢的淬火加热温度常选用Ac1（或Ac3）＋（50～100℃）；高合金钢含有大量高熔点碳化物，要增大奥氏体化程度，淬火加热温度更高，有些已达到接近熔点的程度。

为了达到钢所要求的不同性能，淬火加热温度正在向高或低两个方面发展。亚温淬火就是将淬火温度降至Ac3点以下5～10℃的α＋γ两相区，在保留大约10%～15％未溶铁素体状态进行淬火，在保证强度及较高硬度的同时，塑性、韧性得到改善，淬火变形或开裂明显减少，回火脆性也有所减弱。现已作为一种新的成熟工艺已获得国内外热处理工作者的共识。

此外，还有人发现［1］，以40Cr 钢为代表的亚共析钢在Ac3点处有硬化峰出现，此温度淬火不仅可获得最高的硬度，且各项力学性能也为最佳值，掌握得当能充分发挥钢的潜力。

与其相反，提高某些钢的淬火温度也可获得预想不到的结果。如热模具钢5CrMnMo 、5CrNiMo 钢的淬火温度由传统的860℃提高至920℃（高出30～80℃）［2］，加速了碳化物的溶解，增加了马氏体中的合金含量，组织均匀。可以获得大量的高位错马氏体，断裂韧度大大提高，红硬性更为优异，其使用寿命成倍提高。又如，H13钢淬火温度由1050℃提高至1100℃时，奥氏体晶粒并不明显长大，由于碳化物溶解加速，奥氏体中含碳及合金元素增多，其结果使δb 、δ0.2（室温和500℃）及热疲劳性能提高，有利于延长H13钢的模具使用寿命［3］。

随着对亚共析钢所要求的性能而异，其淬火温度的选择有很大的灵活性。但是不论提高或是降低温度，均是以钢的临界点Ac3为主要依据。因此，正确掌握钢的Ac3点极其重要。近年来，热处理工作者发展了Ac3点计算模型［4］。

近年来，引进或国内新开发的工程机械斗齿用低合金耐磨钢，如ZG30CrMn2SiReB钢为亚共析钢［5，6］，为发挥钢的潜力，获得耐磨性和一定的强韧性，所采用的淬火温度均高于传统温度90～120℃。这说明，钢的淬火温度对不同钢种和所要求的性能是有很大差别，不能一概而论，必须跳出传统的约束。

高合金钢的淬火温度同样也有很大变动，由定性逐步向定量化过渡，使所选择的淬火温度更切合实际。有人提出平衡碳的概念［6］，并由此决定正常淬火温度。

平衡碳C S＝0.033w W＋0.063w Mo＋0．06w Cr＋0．2w V

钢的碳饱和度A为钢中实际碳量C实与平衡碳C S之比，即A＝C实／C S。由计算出的不同A值来决定所对应的最佳淬火温度，可获得满意的质量要求。也有人提出以碳化物溶解温度为依据，决定高速钢淬火温度的方法，即

T S（°F）＝2310－200w C＋40w V＋8w W＋5w Mo±12

T淬（°F）＝T S－（35～50）

用于制作模具的高速钢，在要求一定耐磨性的同时，还要具备一定的韧性，所选择的加热温度要比传统的低，一般按下式决定［7］：

W18Cr4V钢T（℃）＝1260－（64－HRC值）×10

（2）

W6Mo5Cr4V2钢T（℃）＝1190－（64－HRC值）×10

（3）

式中HRC——为模具要求硬度值。

3 加热时间

为了降低生产成本，提高生产效率，缩短加热时间是有效而简便的方法。经大量测试对比发现，确定加热时间的传统方法存在一些问题。有人试验提出表1所示加热时间更适合于实际，比传统加热时间明显减少。

表1 按τ＝kW计算保温时间推荐的W值

注：盐炉加热用。D、B、δ分别为工件直径、板厚和管壁厚

对于大截面工件的加热时间，有人认为截面大的工件达到淬火效果也仅是一定深度，在加热时完全热透，不仅延长时间、浪费能源，而且冷却过程要散失的热量相对增多，其冷却强度下降，使实际淬火效果变差。测试发现，奥氏体相变一般不超过几分钟，所以加热时间以保证工件截面内外温度一致为准，有人以此为依据提出零保温的新概念，现已逐步被人们所接受。

4 冷却

为了使钢淬火冷却更适宜，选择介质及冷却强度应依据钢的临界冷却速度。热处理工作者导出了不同类型的计算式或模型，具有代表性的如下式：［8］

(1) 获得马氏体的临界冷却速度

lgv1＝9.81－（4.26w C＋1.05w Mn＋0.54w Ni＋0.5w Cr＋0.66w Mo＋0.00183P A）

（2）获得贝氏体的临界冷却速度

lgv2＝10.17－（3.08w C＋1.07w Mn＋0．70w Ni＋0.57w Cr＋1.58w Mo＋0．0032P A）（℃／h）式中PA——奥氏体化参数。

由于工件“淬火质量效应”的影响，不同截面的工件的实际冷却速度有很大变化，为此有人提出水、油淬时的截面与冷却强度的定量关系：

式中H1、H0——分别为不同搅拌态和静止状态下的冷却强度。

模具淬火冷却要求留有一定的余热，有人总结出决定淬火冷却时间的经验式［9，10］：

式中A——油的状态系数

V、F——分别为模具的体积和表面积，dm3、dm2

D——模具的高度或厚度，mm

喷冷淬火解决了大截面工件淬火冷却不足的难题，通过调节喷液压力、流量和时间来控制冷却强度，实现计算机控制，满足大批量淬火的需要［11，12］。另外，喷冷淬火远可控制工件冷却至一定程度，使其保留一定余温，利用余热进行自回火。节能、省时、高效，很有发展潜力。

5 淬火效果评定

钢的淬透性以往只能定性地从端淬图表上查得，使用不便。近年来，评定钢的淬透性逐步量化，即由相应的公式计算，直观方便且有一定的可靠性。典型的应用公式如下［13］：

＋16w Mn＋35w Mo＋

5w Si-0.82K ASTM