淬火工藝的新進展

法律顧問：趙建英律師

奧氏體晶粒的超細化處理

一般把使鋼的晶粒度細化到10級以上的處理方法稱為「晶粒超細化」處理。經超細化處理後淬火，可使鋼獲得高的規定非比例伸長應力σp0.2、韌性和低的韌脆轉化溫度。目前，獲得晶粒超細化的方法很多，其中主要有：

01

超快速加熱法

這主要是靠採用具有超快速加熱的能源來實現的。如大功率電脈衝感應加熱、電子束加熱和激光加熱等皆屬此類。採用這種方法可使鋼件表面或局部獲得超細化的奧氏體晶粒，故淬火後其硬度和耐磨性顯著提高。

02

快速循環加熱淬火法

這種方法最早是Grange提出的，其過程如圖1所示，即首先將零件快速加熱到Ac3以上，經短時間保溫後迅速冷卻，如此循環多次。由於每加熱一次，奧氏體晶體就被細化一次，所以經過4次循環後，便使45鋼的晶粒度從6級細化到12級。這種方法對於其他所有能淬硬的鋼均可使用。一般來說，原始組織中的碳化物愈細小，加熱速率愈快，最高加熱溫度愈低（在合理的限度內），其晶粒細化效果愈好。至於在Ac3以上的保溫時間應以均溫為限，不宜過長；循環次數也不需過多，因為當晶粒細化到一定程度後就與其自身的長大傾向相平衡而不再有明顯的細化效果。應當指出，對於尺寸較大的零件要使整體都得到快速的加熱和冷卻是困難的。

圖1 45鋼採用快速循環加熱淬火法的工藝過程

03

形變熱處理法

這是一種把壓力加工與熱處理相結合的方法，如圖2所示。其過程是先將鋼加熱至略高於Ac3的溫度，使之奧氏體化，隨後進行熱軋，使奧氏體發生強烈的形變，接著再等溫保持適當時間，使形變奧氏體發生起始再結晶，並於晶粒尚未開始長大之前進行淬火。這樣可以獲得顯著的超細化效果。

圖2獲得超細晶粒的形變熱處理法工藝過程

碳化物的超細化處理

目前，生產中除了奧氏體晶粒超細化處理外，高碳鋼中碳化物的超細化處理也同樣受到普遍重視。這是因為碳化物的尺寸、形態、分布和數量對鋼的力學性能（如韌性、疲勞強度、硬度和耐磨性等）有著顯著影響。研究指出，高碳鋼中，當碳化物直徑大於1μm時，在較高的應力狀態下，裂紋往往發源於碳化物質點處。有人發現，當鋼的碳質量分數一定時，其斷裂韌性隨碳化物質點平均距離的減小（通過碳化物細化）而增加。可見，細化碳化物並使之均勻分布是改善高碳鋼強韌性的一個有效途徑。

由於高碳工具鋼在最終熱處理狀態下碳化物的尺寸、形態和分布在很大程度上受其原始組織的影響，所以人們往往把旨在使碳化物超細化而獲得適當原始組織的預備熱處理與最終熱處理看成是一個不可分割的整體，統稱為碳化物超細化處理。但實際上最終熱處理工藝一般變化不大，大都為淬火、低溫回火，而預備熱處理工藝卻變化多樣。為了使高碳鋼中碳化物細化，首先必須使毛坯組織中的碳化物全部溶解，因此作為碳化物超細化的預備熱處理的一個共同特點是首先必須進行高溫固溶加熱，然後再採取不同的工藝方法得到細小均勻分布的碳化物。其主要方法如下：

01

高溫固化淬火 高溫回火（即高溫調質處理）

高溫固溶化後採取淬火，不僅可以抑制先共析碳化物的析出，而且淬火得到的馬氏體 殘餘奧氏體組織經高溫回火後，可得到球狀的碳化物，並呈均勻彌散的分布。據報道，退火的GCr15鋼料經1050℃，30 min加熱後在沸水中淬火，並隨即進行高溫回火（740℃，2 h)，可使其碳化物平均粒度細化到0.3μm。又如，為了提高T8鋼沖頭的韌性和耐磨性，以調質處理（800℃加熱、水-油冷，560℃回火2 h）代替球化退火，經低溫淬火（750℃加熱，水-油冷） 280~300℃回火後，可消除大塊崩刃現象，並使壽命提高10倍。

02

高溫固溶等溫處理

有人在研究GCr15鋼碳化物細化問題後提出，先於1040℃加熱30 min進行高溫固溶化，繼之於625℃或425℃下進行等溫處理，這樣可得到片狀珠光（625℃等溫）或貝氏體（425℃等溫）組織，最後再按通常工藝進行淬火、回火。這時碳化物尺寸可達0. 1μm，從而使鋼的接觸疲勞壽命提高2~3倍。

控制馬氏體、貝氏體組織形態及其組成的淬火

實踐表明，充分利用板條狀馬氏體和下貝氏體組織的特性是改善鋼強韌性的一條重要途徑。

01

中碳合金鋼的超高溫淬火

中碳合金鋼經正常溫度淬火後，一般得到片狀馬氏體與板條狀馬氏體的混合組織。片狀馬氏體的存在對鋼的斷裂韌性不利。提高中碳合金鋼的淬火溫度，有利於在淬火後得到較多的板條狀馬氏體，研究指出，4340鋼（相當於40CrNiMoA鋼）採用高溫（1200℃）淬火（油冷）後與正常溫度（870℃）淬火相比，其斷裂韌性可提高約70%。其原因是超高溫淬火後得到的幾乎都是板條狀馬氏體，而且在馬氏體板條周圍有1×10-5~2×10-5mm厚的殘餘奧氏體薄膜存在，這種薄膜很穩定，即使冷至液氧溫度（-183℃）也不轉變，它對高的局部應力集中不敏感，不易產生裂紋，故能提高斷裂韌性。此外，高的奧氏體化溫度可以使合金碳化物完全溶解，並且也抑制了脆性元素沿晶界的析出，因而也對改善斷裂韌性產生有利影響。但是超高溫淬火後往往得到粗大的晶粒，其衝擊韌性值較低。因此，這種工藝尚有待於進一步研究。

02

高碳鋼的低溫短時加熱淬火

高碳鋼在採用普通淬火工藝時，往往得到片狀馬氏體組織，此時具有較高的脆性。但如適當控制淬火加熱時奧氏體的碳含量，也可使淬火後得到以板條狀馬氏體為主的組織，使鋼在保持高硬度的同時，還具有良好的韌性。高碳鋼採用快速加熱至略高於Ac1的溫度、短時保溫淬火，可以實現上述要求。這是因為低溫短時加熱時可以得到較細的晶粒，而且奧氏體的碳含量較低，使Ms點較高，故淬火後可得到以板條馬氏體為主加細小碳化物的組織。這是保證其具有較高強韌性的原因。但是，為了使低溫短時加熱淬火取得好的強韌化效果，對淬火前的原始組織有一定的要求，即其碳化物應盡量細小。

應當指出，上述工藝只適用於碳質量分數高於0.5%的鋼，對碳含量低於此限的鋼，強韌化效果則不明顯。

03

連續冷卻時的冷卻速率獲得複合組織的淬火

一般貝氏體轉變總是優先在貧碳區開始的，隨著貝氏體轉變數的增加，由於碳不斷向奧氏體中擴散，使未轉變奧氏體中的碳含量愈來愈高，從而增加了奧氏體的化學穩定性而使之難於轉變；同時由於貝氏體的比容比奧氏體大，產生了一定的機械穩定化作用，這也不利於貝氏體轉變的繼續進行。至於轉變不完全性隨溫度升高而愈加顯著的原因，可能主要與溫度較高時使奧氏體與貝氏體間的自由能差減小，從而使相變驅動力減小有關。同時也應考慮到，轉變溫度愈高，將愈有利於碳原子的擴散而形成更多的柯氏氣團，從而增強未轉變奧氏體熱穩定化傾向的作用。但應指出，當鋼的Bf點低於Ms點，亦即在Ms點以下仍可發生貝氏體轉變時，隨等溫溫度降低，貝氏體的轉變數則愈來愈少。顯然，這是由於在Ms點以下大量馬氏體的形成所引起的機械穩定化作用的結果。

使鋼中保留適當數量塑性第二相的淬火

淬火鋼中存在的塑性第二相不外乎是自由鐵素體和殘餘奧氏體。為了發它們對鋼強韌性的有益作用，近年來已發展形成了一些新型的熱處理工藝。

01

亞共析鋼的亞溫淬火（α γ兩相區淬火）

近年來發現，結構鋼採用亞溫淬火對改善鋼的韌性、降低韌脆轉化溫度和抑制可逆回火脆性具有明顯效果。亞溫淬火對處理前的原始組織有一基本要求，即不應有大塊狀的自由鐵素體存在。因此在亞溫淬火前往往需進行正常淬火或調質（有時也可正火），使之得到如馬氏體、貝氏體、回火索氏體、索氏體之類的組織。

亞溫淬火之所以能對鋼的性能產生上述有益影響，是由於以下原因：

（1）晶粒細化和雜質偏聚濃度減小。亞溫淬火的加熱溫度處於α γ兩相區內，由於溫度較低，加之鋼中尚存在的細小彌散分布的難溶碳、氮化物質點對奧氏體晶粒長大的阻礙作用，使此時的奧氏體晶粒十分細小。同時，它與鐵素體晶粒相間存在，使α-γ相界面積比一般熱處理時奧氏體晶界面積約大10~50倍。在較大的晶界和相界面積上雜質元素的偏聚濃度自然大大減小。此外，亞溫淬火、回火後鋼中存在適當數量細小的自由鐵素體可以大大減輕裂紋尖端的局部應力集中，阻止裂紋擴展。以上這些因素都將對改善韌性和降低（可逆）回火脆性傾向產生有益作用。

（2）雜質元素在α和γ晶粒中的再分配。鋼中所含各種元素可分為擴大γ區元素（如碳、錳、鎳、氮等）和縮小Y區元素（如磷、銻、錫、硅等）兩大類。圖3表示兩類二元鐵基合金的相圖。由圖可知，在α γ兩相區內，擴大γ區的元素應富集在γ相內，而縮小γ區的元素則應富集在α相內。磷、銻、錫等屬（可逆）回火脆性的致脆元素，經亞溫淬火後則富集於α相中，使其在γ相中的含量減少，因而有益於降低鋼的（可逆）回火脆性傾向。

圖3二元鐵基合金相圖

(a)擴大γ區元素（b）縮小γ區元素

（3）減少碳化物的沿晶析出。對含有鋁、鈮、釩、欽等元素的鋼來說，在亞溫區加熱時，會有微量的細小彌散碳化物、氮化物存在，在淬火後進行回火時，它們可作為碳化物在晶內析出的晶核，從而減少了碳化物的沿晶析出，這對改善鋼的韌性十分有益。

但應指出，亞溫淬火的強韌化效果與鋼的碳質量分數密切相關，碳含量愈高，強韌化效果愈小。當鋼的碳質量分數高於0.4%以後，即基本上無效果。這是因為當鋼的碳含量較低時，亞溫淬火後可得到板條狀馬氏體組織，而當碳含量較高時，則將得到較多的片狀馬氏體組織。另外，亞溫淬火後的強韌化效果還與回火溫度有關。如與普通淬火後採用相同的回火溫度對比，隨回火溫度升高，愈能顯示出亞溫淬火對改善強韌性的優越性，而回火溫度較低時，亞溫淬火的效果則往往不能充分發揮。據認為，這是由於回火溫度較低時，鋼的組織為回火馬氏體加鐵素體，兩者的強度差較大，在應力作用下微裂紋多起源於鐵素體，使鋼易於呈現高的脆斷傾向。

02

控制殘餘奧氏體形態、數量和穩定性的熱處理

殘餘奧氏體對鋼強韌性的影響主要與它的形態、分布、數量和穩定性有關。對於一定成分的鋼來說，通過調整淬火加熱溫度、冷卻規範（包括等溫處理的溫度和時間）以及回火工藝等可以在很大程度上控制殘餘奧氏體的形態、分布、數量和穩定性。例如，中碳合金鋼經超高溫淬火後可以得到板條馬氏體和在其板條間分布的1×10-5~2×10-5mm厚的殘餘奧氏體薄膜，大大改善了鋼的斷裂韌性。軸承鋼GCr15採用不同淬火介質冷卻後殘餘奧氏體量可在0~15％範圍內變化，鋼的接觸疲勞強度隨殘餘奧氏體量增多而提高，如圖4所示。變塑鋼利用殘餘奧氏體的形變誘發相變，在伴隨吸收大量應變能的同時，顯著提高了強韌性。超高強度鋼30CrMnSiNi2A在油淬後選擇適當的溫度（250℃）回火，可使殘餘奧氏體得到最高的機械穩定性，從而使鋼具有最佳的綜合力學性能。

圖4殘餘奧氏體量對GCr15鋼接觸疲勞壽命的影響

出自《鋼的熱處理》第五版

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來源：材易通（ID：matlinkcn）供稿，感謝

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