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淬火油
淬火[cuìhuǒ]
钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3(亚共析钢)或Ac1(过共析钢)以上温度,保温一段时间,使之全部或部分奥氏体1化,然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下(或Ms附近等温)进行马氏体(或贝氏体)转变的热处理工艺。
通常也将铝合金、铜合金、钛合金、钢化玻璃等材料的固溶处理或带有快速冷却过程的热处理工艺称为淬火。
历史
词音:
淬火(cuìhuǒ),(英文名称:
quenching)
在金属材料加工、金属热处理等学术领域和行业内均读音:
zhàn。
淬火[1]应该读(zhànhuǒ)“蘸火”是淬火工艺的行业术语,起源于工艺处理的方法,因为淬火就是把加热到一定程度的热工件蘸一下介质,以达到要求,过去工匠们形象的称谓淬火为蘸火,淬火工艺应用很广,读法也随之流传开来。
目的
淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变,得到马氏体或贝氏体组织,然后配合以不同温度的回火,以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等,从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。
也可以通过淬火满足某些特种钢材的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。
工艺
将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间,随即浸入淬冷介质中快速冷却的金属热处理工艺。
常用的淬冷介质有盐水、水、矿物油、空气等。
淬火可以提高金属工件的硬度及耐磨性,因而广泛用于各种工、模、量具及要求表面耐磨的零件(如齿轮、轧辊、渗碳零件等)。
通过淬火与不同温度的回火配合,可以大幅度提高金属的强度、韧性及疲劳强度,并可获得这些性能之间的配合(综合机械性能)以满足不同的使用要求。
另外淬火还可使一些特殊性能的钢获得一定的物理化学性能,如淬火使永磁钢增强其铁磁性、不锈钢提高其耐蚀性等。
淬火工艺主要用于钢件。
常用的钢在加热到临界温度以上时,原有在室温下的组织将全部或大部转变为奥氏体。
随后将钢浸入水或油中快速冷却,奥氏体即转变为马氏体。
与钢中其他组织相比,马氏体硬度最高。
淬火时的快速冷却会使工件内部产生内应力,当其大到一定程度时工件便会发生扭曲变形甚至开裂。
为此必须选择合适的冷却方法。
根据冷却方法,淬火工艺分为单液淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火和贝氏体等温淬火4类。
工件硬度
HR-150型电动洛氏硬度计
淬火工件的硬度影响了淬火的效果。
淬火工件一般采用洛氏硬度计测定其HRC值。
淬火的薄硬钢板和表面淬火工件可测定HRA值,而厚度小于0.8mm的淬火钢板、浅层表面淬火工件和直径小于5mm的淬火钢棒,可改用表面洛氏硬度计测定其HRC值。
在焊接中碳钢和某些合金钢时,热影响区中可能发生淬火现象而变硬,易形成冷裂纹,这是在焊接过程中要设法防止的。
由于淬火后金属硬而脆,产生的表面残余应力会造成冷裂纹,回火可作为在不影响硬度的基础上,消除冷裂纹的手段之一。
淬火对厚度、直径较小的零件使用比较合适,对于过大的零件,淬火深度不够,渗碳也存在同样问题,此时应考虑在钢材中加入铬等合金来增加强度。
淬火是钢铁材料强化的基本手段之一。
钢中马氏体是铁基固溶体组织中最硬的相(表1),故钢件淬火可以获得高硬度、高强度。
但是,马氏体的脆性很大,加之淬火后钢件内部有较大的淬火内应力,因而不宜直接应用,必须进行回火。
表1钢中铁基固溶体的显微硬度值
应用
淬火工艺在现代机械制造工业得到广泛的应用。
机械中重要零件,尤其在汽车、飞机、火箭中应用的钢件几乎都经过淬火处理。
为满足各种零件千差万别的技术要求,发展了各种淬火工艺。
如,按接受处理的部位,有整体、局部淬火和表面淬火;按加热时相变是否完全,有完全淬火和不完全淬火(对于亚共析钢,该法又称亚临界淬火);按冷却时相变的内容,有分级淬火,等温淬火和欠速淬火等。
工艺过程
包括加热、保温、冷却3个阶段。
下面以钢的淬火为例,介绍上述三个阶段工艺参数选择的原则。
淬火加热温度
淬火加热温度
以钢的相变临界点为依据,加热时要形成细小、均匀奥氏体晶粒,淬火后获得细小马氏体组织。
碳素钢的淬火加热温度范围如图1所示。
淬火加热温度范围
由本图示出的淬火温度选择原则也适用于大多数合金钢,尤其低合金钢。
亚共析钢加热温度为Ac3温度以上30~50℃。
从图上看,高温下钢的状态处在单相奥氏体(A)区内,故称为完全淬火。
如亚共析钢加热温度高于Ac1、低于Ac3温度,则高温下部分先共析铁素体未完全转变成奥氏体,即为不完全(或亚临界)淬火。
过共析钢淬火温度为Ac1温度以上30~50℃,这温度范围处于奥氏体与渗碳体(A+C)双相区。
因而过共析钢的正常的淬火仍属不完全淬火,淬火后得到马氏体基体上分布渗碳体的组织。
这-组织状态具有高硬度和高耐磨性。
对于过共析钢,若加热温度过高,先共析渗碳体溶解过多,甚至完全溶解,则奥氏体晶粒将发生长大,奥氏体碳含量也增加。
淬火后,粗大马氏体组织使钢件淬火态微区内应力增加,微裂纹增多,零件的变形和开裂倾向增加;由于奥氏体碳浓度高,马氏体点下降,残留奥氏体量增加,使工件的硬度和耐磨性降低。
常用钢种淬火的温度参见表2。
表2常用钢种淬火的加热温度
实际生产中,加热温度的选择要根据具体情况加以调整。
如亚共析钢中碳含量为下限,当装炉量较多,欲增加零件淬硬层深度等时可选用温度上限;若工件形状复杂,变形要求严格等要采用温度下限。
淬火保温
淬火保温时间由设备加热方式、零件尺寸、钢的成分、装炉量和设备功率等多种因素确定。
对整体淬火而言,保温的目的是使工件内部温度均匀趋于一致。
对各类淬火,其保温时间最终取决于在要求淬火的区域获得良好的淬火加热组织。
加热与保温是影响淬火质量的重要环节,奥氏体化获得的组织状态直接影响淬火后的性能。
-般钢件奥氏体晶粒控制在5~8级。
淬火冷却
要使钢中高温相——奥氏体在冷却过程中转变成低温亚稳相——马氏体,冷却速度必须大于钢的临界冷却速度。
工件在冷
淬火冷却
却过程中,
淬火冷却
表面与心部的冷却速度有-定差异,如果这种差异足够大,则可能造成大于临界冷却速度部分转变成马氏体,而小于临界冷却速度的心部不能转变成马氏体的情况。
为保证整个截面上都转变为马氏体需要选用冷却能力足够强的淬火介质,以保证工件心部有足够高的冷却速度。
但是冷却速度大,工件内部由于热胀冷缩不均匀造成内应力,可能使工件变形或开裂。
因而要考虑上述两种矛盾因素,合理选择淬火介质和冷却方式。
冷却阶段不仅零件获得合理的组织,达到所需要的性能,而且要保持零件的尺寸和形状精度,是淬火工艺过程的关键环节。
7方式
单介质淬火
工件在一种介质中冷却,如水淬、油淬。
优点是操作简单,易于实现机械化,应用广
泛。
缺点是在水中淬火应力大,工件容易变形开裂;在油中淬火,冷却速度小,淬透直径
小,大型工件不易淬透。
双介质淬火
工件先在较强冷却能力介质中冷却到300℃左右,再在一种冷却能力较弱的介质中冷
却,如:
先水淬后油淬,可有效减少马氏体转变的内应力,减小工件变形开裂的倾向,可
用于形状复杂、截面不均匀的工件淬火。
双液淬火的缺点是难以掌握双液转换的时刻,转
换过早容易淬不硬,转换过迟又容易淬裂。
为了克服这一缺点,发展了分级淬火法。
分级淬火
工件在低温盐浴或碱浴炉中淬火,盐浴或碱浴的温度在Ms点附近,工件在这一温度停
留2min~5min,然后取出空冷,这种冷却方式叫分级淬火。
分级冷却的目的,是为了使工
件内外温度较为均匀,同时进行马氏体转变,可以大大减小淬火应力,防止变形开裂。
分
级温度以前都定在略高于Ms点,工件内外温度均匀以后进入马氏体区。
改进为在略
低于Ms点的温度分级。
实践表明,在Ms点以下分级的效果更好。
例如,高碳钢模具在
160℃的碱浴中分级淬火,既能淬硬,变形又小,所以应用很广泛。
等温淬火
工件在等温盐浴中淬火,盐浴温度在贝氏体区的下部(稍高于Ms),工件等温停留较长
时间,直到贝氏体转变结束,取出空冷。
等温淬火用于中碳以上的钢,目的是为了获得下
贝氏体,以提高强度、硬度、韧性和耐磨性。
低碳钢一般不采用等温淬火。
表面淬火
表面淬火是将钢件的表面层淬透到一定的深度,而心部分仍保持未淬火状态的一种局部淬火的方法。
表面淬火时通过快速加热,使刚件表面很快到淬火的温度,在热量来不及穿到工件心部就立即冷却,实现局部淬火。
感应淬火
感应加热就是利用电磁感应在工件内产生涡流而将工件进行加热。
钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。
退火
将工件加热到适当温度,根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间,然后进行缓慢冷却(冷却速度最慢)目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态,获得良好的工艺性能和使用性能,或者为进一步淬火作组织准备.
正火
将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却,正火的效果同退火相似,只是得到的组织更细,常用于改善材料的切削性能,也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。
回火
为了降低钢件的脆性,将淬火后的钢件在高于室温而低于710℃的某一适当温度进行长时间的保温,再进行冷却,这种工艺称为回火。
淬火
工件加热奥氏体化后以适当方式冷却获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。
最常见的有水冷淬火、油冷淬火、空冷淬火等。
退火、正火、淬火[1]、回火是整体热处理中的“四把火”,其中的淬火与回火关系密切,常常配合使用,缺一不可。
淬火冷却、淬冷
工件淬火周期中的冷却部分。
局部淬火
仅对工件需要硬化的局部进行的淬火。
气冷淬火
专指在真空中加热和在高速循环的负压、常压或高压的中性和惰性气体中进行的淬火冷却。
表面淬火仅对工件表层进行的淬火,其中包括感应淬火、接触电阻加热淬火、火焰淬火、激光淬火、电子束淬火等。
风冷淬火
以强迫流动的空气或压缩空气作为冷却介质的淬火冷却。
盐水淬火
以盐类的水溶液作为冷却介质的淬火冷却。
有机聚合物水溶液淬火
以有机高分子聚合物的水溶液作为冷却介质的淬火冷却。
喷液淬火
用喷射液流作为冷却介质的淬火冷却。
喷雾冷却
工件在水和空气混合喷射的雾中进行的淬火冷却。
热浴冷却
工件在熔盐、熔碱、熔融金属或高温油等热浴中进行的淬火冷却,如盐浴淬火、铅浴淬火、碱浴淬火等。
双介质淬火、双液淬火
工件加热奥氏体化后先浸入冷却能力强的介质,在组织即将发生马氏体转变时立即转入冷却能力弱的介质中冷却。
加压淬火、模压淬火
工件加热奥氏体化后再特定夹具夹持下进行的淬火冷却,其目的在于减少淬火冷却畸变。
透淬
工件从表面至心部全部硬化的淬火。
贝氏体等温淬火、等温淬火
工件加热奥氏体化后快冷却到贝氏体转变温度区间等温保持,使奥氏体变成贝氏体的淬火。
马氏体分级淬火、分级淬火
工件加热奥氏体化后浸入温度稍高或稍低于M1点的碱浴或盐浴中保持适当时间、在工件整体达到介质温度后取出空冷以获得马氏体的淬火。
亚温淬火
亚共析钢制工件在Ac1-Ac3温度区间奥氏体化后淬火冷却,获得马氏体及铁素体组织的淬火。
直接淬火
工件渗入碳后直接淬火冷却的工艺。
两次淬火
工件渗碳冷却后,先高于Ac3的温度奥氏体化并淬冷以细化心部组织,随即在略髙于Ac3的温度奥氏体化以细化渗层组织的淬火。
自冷淬火
工件局部或表层快速加热奥氏体化后,加热区的热量自行向未加热区传到,从而使奥氏体化区迅速冷却的淬火。
淬火油
淬火油是一种工艺用油,用做淬火介质。
淬火油必须具备以下特性:
1良好的冷却性能
冷却性能是淬火介质重要的性能,它的好坏直接影响到淬火零件的质量,良好的冷却性能可保证淬火后的零件具有一定的硬度和合格的金相组织,可以防止零件变形和开裂。
2高闪点和燃点
淬火时,油的温度会瞬时升高,如果油的闪点和燃点较低,可能发生着火现象。
因此淬火油应具有较高的闪点和燃点。
通常闪点应比使用油温要高出60-80℃。
3良好的热氧化安定性
淬火油长期在高温和连续作业的苛刻条件下使用,要求油品具有良好的抗氧化、抗热分解和抗老化等性能,以保证油品的冷却性能和使用寿命。
4低粘度
油品的粘度与它的附着量、携带损失和冷却性能有一定的关系。
在保证油品冷却性能和闪点的前提下,油品的粘度应尽可能小,这样既可以减少携带损失,又便于工件清洗。
5水份含量低
油品中的过量水份会影响零件的热处理质量,造成零件软点、淬裂或变形,也可能造成油品飞溅,发生事故。
因此一般规定淬火油中的含水量不超过0.05%。
6其他特性
除了上述特性外,淬火油还应无毒、无味、易处理、对环境无污染,并使淬火后的工件表面光亮。
淬火油分类:
INA轴承零件多采用矿物油来进行淬火冷却。
矿物油是由石蜡、环烷、芳香烃和石蜡一芳香系的碳氢化合物及其各种衍生物所组成。
由于组成成分和炼制方法的不同,形成不同特性、不同用途的专用淬火油。
根据使用要求(包括冷却速度、使用温度、光亮度等)可分为以下七类:
(1)普通淬火油
普通淬火油是热处理通用的油品之一,具有相对较慢的冷却速度,是用石蜡基本润滑油经精制后加入催冷剂、抗氧化剂等调制而成。
在油温80℃时其特性温度不低于520℃,由800℃冷却到400%的时间不大于5.0s。
通常用于淬透性能够达到的中小型FAG轴承套圈和滚动体。
(2)快速淬火油
为了适应热处理工艺的要求,提高FAG轴承零件热处理后的机械强度,需要采用冷却速度快的淬火油。
快速淬火油是在精制石蜡基润滑油中加入催冷剂、清净剂和抗氧化添加剂等调配而成的。
油温80cIC时其特性温度不低于600℃,由8000C冷到400~C的时间不大于4.Os。
快速淬火油可提高零件淬火后的表面硬度和淬硬层深度,提高材料的力学性能,可用于CGrl5钢制大中型、截面尺寸较大的轴承,以及渗碳、碳共渗的淬火冷却。
(3)超(高)速淬火油
超速淬火油具有相当快的冷却速度,比快速淬火油更快。
该油是精制石蜡基润滑油中加入催冷剂、清净剂和抗氧化剂等调制而成。
油温在800度时其特性温度不低于585℃,由8000(:
冷却到400cC的时间比快速淬火油更短。
生产中主要用于截面较大而又有较深淬硬层的轴承零件。
(4)分级淬火油
淬火油的使用温度将会影响油的使用寿命、淬火油冷却速度、运动粘度及工件变形。
在80℃以下使用的淬火油称为冷淬火油。
在80~200~C温度区间使用的淬火油为热淬火油,亦称为分级淬火油。
由于热淬火油是相对较高的温度下使用,它们是由精选的高抗氧化性、热稳定性的基础油配制而成,一般具有较高的闪点和粘度,并含有抗氧化剂,使其在恶劣工作环境下有较长的使用寿命。
生产中主要应用于要求变形小的大直径、薄壁和形状复杂的INA轴承套圈。
(5)真空淬火油
真空淬火油是用于真空条件下对加热零件进行淬火冷却的淬火油。
其饱和蒸汽压较低.并具有较好的光亮性和淬硬性。
它是用石蜡基润滑油经溶剂脱脂、溶剂精制、白土处理及真空蒸馏、真空脱气,加入催冷剂、光亮剂和抗氧化剂等配制而成,用于真空炉淬火冷却。
(6)快速光亮淬火油
快速光亮淬火油是一种具有较强冷却能力的光亮淬火油。
该油是由石蜡基原油生产的润滑油经脱脂和精制后添加光亮剂、催冷剂和抗氧剂调配而成。
油温在80"C时其选择性温度不低于600℃,800℃冷到400℃的时间不大于4.5s,主要用于可控气氛加热的零件淬火后保持表面光亮。
(7)机械油
机械油是精制矿物润滑油。
因为在轴承行业中仍有多数厂家在使用,故单列为一类。
常用的。
N32和N15机械油的主要性能指标见表4.6。
选择淬火油时,必须充分考虑要处理零件的材质、形状、大小尺寸、变形、淬硬层深度、工艺、光亮度和采用的热处理装备等因素。
优良的淬火油是采用热稳定性高的精炼基础油(一般为石蜡基)加上能提高使用性能和使用寿命的各种添加剂配制而成的。
对于滚动FAG轴承零件在淬火冷却过程中,应防止珠光体类型的转变,以避免出现淬不透或局部出现屈氏体、软点等缺陷。
为此,淬火油冷却速度要大于轴承钢的临界冷却速度。
但冷却速度不宜过大,以免引起较大的内应力,导致开裂和过大的淬火变形。
水溶性淬火液1、水:
优点:
汽化热高,传热系数较高,化学稳定性好,很便宜,使用方便。
缺点:
冷却速度随水温的变化而发生明显变化。
650-550℃区间冷却速度小于300-200℃区间。
因在奥氏体不稳定区域冷却速度低,故会出现淬不硬现象。
淬火件在淬火时还会产生巨大的应力,造成开裂和变形。
蒸汽膜阶段长,易生气泡。
在淬火件的凹槽和孔内蒸汽不易逸出,造成冷却不均,因此易出现软点。
用途:
只用于小截面、形状简单的碳素钢件错淬火,工作表面较光洁。
注意事项:
使用时最好用搅拌或强制循环的方法,以提高冷却的均匀性,防止产生软点和变形。
水中不应混入灰尘、油类等杂质。
工作温度不应超过40℃。
2、无机水溶液:
1)氯化钠(食盐)水溶液:
介质组成:
nacl浓度可用5%或10%。
优点:
nacl能附着于灼热的淬火件表面,剧烈爆炸成雾状(崩膜),使蒸汽膜破坏,蒸汽膜阶段大为缩短,从而明显提高水的冷却速度,冷却也比较均匀。
价格便宜,淬火件可达到较高硬度,而且硬度均匀。
缺点:
冷却速度随溶液温度而变化,淬火后淬火件易生锈。
用途:
用于淬透性低、不易开裂、对防止变形要求低的淬火件,例如碳素钢件(有效厚度30-100mm,采用盐水,油淬火),合金结构钢(40cr,40crmov,有效厚度30-150mm;38crmoal有效厚度>80mm。
)注意事项:
使用时溶液温度应控制在60℃以下,淬火后要清洗,并要进行防锈处理。
2)氢氧化钠水溶液:
优点:
冷却曲线与氯化钠溶液基本相同,naoh可与淬火件表面的氧化皮相互作用,产生氢气,使氧化皮迅速剥落,使淬火件表面呈现光亮的银白色。
冷却能力大于氯化钠。
缺点:
有腐蚀性,劳动条件较差,在使用中易吸收空气中的二氧化碳而使成分逐渐变化。
与前两者一样,冷却速度也随溶液温度而明显变化。
用途:
用于碳素钢。
注意事项:
要定期更换溶液。
3)饱和氯化钙水溶液:
优点:
在奥氏体不稳定区(650-550℃)时,有很高的冷却速度,在马氏体转变区,由于它的沸点比水高,对流的开始温度也较高,同时它的粘度比水大,传热性也较差,因此冷却速度较慢,从而减小淬火的应力,防止变形和开裂。
它的配制方便,容易购买,价格低,使用寿命长。
缺点:
温度太低时,会有氯化钙结晶析出,堵塞淬火槽管路。
淬火件放置时易生锈。
注意事项:
淬火件淬火后要及时清洗,进行防锈处理。
4)过饱和硝酸盐水溶液:
介质组成:
(1)三硝溶液硝酸钠25%,亚硝酸钠20%,硝酸钾20%,水35%,使用相对密度应控制在1.4-1.5之间;
(2)二硝溶液硝酸钠31.2%,亚硝酸钠20.8%,使用相对密度应控制在0.36-1.41之间。
优点:
在高温区(650-550℃),由于大量硝酸盐的存在会破坏蒸汽膜的形成和稳定性,使冷却速度接近水。
在低温区(300-200℃),由于溶液浓度高,粘度大,流动性差,对流速度慢,使冷却速度又接近油。
三硝溶液与饱和氯化钙溶液相似,淬火硬度高,淬硬层深,变形小,不易开裂。
淬火件防锈性好,冷却特性介于水与油之间,高温下冷却速度比油快3倍,低温下为油的1倍,但仍比水慢。
缺点:
价格比氯化钙高很多,亚硝酸钠有毒,易生致癌物质。
用途:
用于中碳钢、高碳钢、低合金和球墨铸件的淬火,还可代替碳钢的水-油双液淬火。
45钢有效厚度小于或等于40mm。
有些形状简单的合金钢[40cr,65mn,20cr(渗碳后),gcr15]工件
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- 淬火