淬火冷却对材料性能的影响

1.临界区和危险区

淬火冷却时，在两个温度范围内必须注意控制冷却速度的快慢。一个区域是为了完全淬火硬化而需要快冷的临界区域，包括珠光体临界区和贝氏体临界区。不发生铁素体-珠光体反应的最小冷却速度称为珠光体临界冷却速度，这种冷却速度可在珠光体钢中获得100％的马氏体组织；不发生贝氏体转变的最小冷却速度称为贝氏体临界冷却速度，贝氏体型钢以大于贝氏体临界冷却速度进行冷却时可获得100％的马氏体组织。显然，为了使零件淬火硬化，在临界区应该急冷，如图14-24所示。另一个区域是容易产生淬火裂纹危险的低温区，在这个温度区间发生奥氏体向马氏体的转变，体积膨胀，产生第二类畸变、第二类应力及宏观的热处理应力，可能导致淬火裂纹，因此称为危险区。在危险区应该尽量慢冷，以缓和淬火内应力。因此，零件在淬火时既要求淬火硬化，又要避免淬火裂纹，则在临界区应快冷，在危险区应慢冷，即采用先快后慢的冷却方式，普通碳钢尤其应该如此。水、油双液淬火就是采用先快后慢的冷却方式，是一种常用来防止淬裂的工艺方法，但是要特别注意零件在水中停留的时间。对于碳素工具钢，以每3mm有效厚度停留1s来计算；对于形状复杂者，以每4～5mm有效厚度在水中停留1s来计算；大截面低合金钢可以按每1mm有效厚度在水中停留1.5～3s来计算。如果在水中停留时间过长，就可能造成淬火开裂。

图14-24 淬火临界区和危险区示意图

2.淬裂的危险时刻(www.xing528.com)

实际上，工件淬入水中冷却到约250℃以下时才可能开裂。这是由于在零件入水的开始阶段，过冷奥氏体是软韧的组织，受到应力时可以通过变形而使应力松弛，因此不会淬裂。而过冷奥氏体向马氏体转变时，组织从急冷收缩转为急冷膨胀，突然收缩接着突然膨胀，应力也急剧变化，当马氏体不能以变形方式松弛这种应力时，将可能导致开裂。此外，已淬火冷却到室温的零件如不及时回火，在较低的温度下放置或过夜也会开裂。这种放置开裂当然也是在危险区的一种淬火开裂，称为放置开裂。

3.调整淬火应力

工件从高温急冷下来时产生较大的热应力，在表层呈现残留压应力状态，有利于防止淬裂。而在危险区产生的相变应力在工件表层形成残留拉应力，会促发淬火裂纹。因此，是否发生淬裂取决于热应力和相变应力之和的大小及分布状态。若调节热应力和相变应力的比例，使热应力大于相变应力，就可以避免淬火开裂。水中淬火时容易产生淬火裂纹是由于水冷时在危险区冷却速度太快，增加了相变应力成分，当相变应力大于热应力时，淬火开裂就可能发生。但如果采用比自来水冷却速度快的盐水（如10％NaCl水溶液）淬火，盐水在高温区域具有比自来水大得多的冷却速度，约相当于自来水的10倍，而在危险区的冷却速度激减到低于自来水的冷却速度，因此认为盐水淬火反而比自来水淬火的开裂倾向小，这是由于盐水淬火比自来水淬火热应力大的缘故。但盐水在低温区域的冷速仍然很大，有淬裂危险，为了减小相变应力，可以采用盐水-油、盐水-空气、盐水-硝盐浴等双液淬火法，这样就增加了热应力的比例，从而防止淬裂。