學術干貨|新型淬火工藝簡介
引言
鋼的淬火是將鋼加熱到臨界溫度Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過共析鋼）以上溫度，保溫一段時間，使之全部或部分奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等溫）進行馬氏體（或貝氏體）轉變的熱處理工藝。通常也將鋁合金、銅合金、鈦合金、鋼化玻璃等材料的固溶處理或帶有快速冷卻過程的熱處理工藝稱為淬火。淬火是一種常見熱處理工藝，主要用于提高材料的硬度。通常從淬火介質上，可分為水淬、油淬、有機物淬等。隨著科技發展，現在又出現了一些新的淬火工藝。
1 高壓氣冷淬火法
工件在強惰性氣流中快速均勻冷卻，可防止表面氧化，避免開裂，減少畸變，保證達到所要求的硬度，主要用于工模具鋼的淬火。這項技術最近進展較快，應用范圍也有很大擴展。當前真空高壓氣冷淬火技術發展較快，相繼出現了負壓（<1×105?Pa）高流率氣冷、加壓（1×105～4×105?Pa）氣冷、高壓（5×105～10×105?Pa）氣冷、超高壓一（10×105～20×105?Pa）氣冷等新技術，不但大幅度提高了真空氣冷淬火能力，且淬火后工件表面光亮度好，變形小，還有高效、節能、無污染等優點。真空高壓氣冷淬火的用途是材料的淬火和回火，不銹鋼和特殊合金的固溶、時效，離子滲碳和碳氮共滲，以及真空燒結，釬焊后的冷卻和淬火。用6×105?Pa高壓氮氣冷卻淬火時、被冷卻的負載只能是松散型的，高速鋼（W6Mo5Cr4V2）可淬透至70～100?mm，高合金熱作模具鋼可達25～100?mm,金冷作模具鋼（如Cr12）可達80～100?mm。用10×105?Pa高壓氮氣冷卻淬火時，被冷卻負載可以是密集型的，比6×105?Pa冷卻時負載密度提高約30%～40%。用20×105?Pa超高壓氮氣或氦氣和氮氣的混合氣冷卻淬火時，被冷卻負載是密集的并可捆綁在一起。其密度較6×105?Pa氮氣冷卻時提高80%～150%，可冷卻所有的高速鋼、高合金鋼、熱作工模具鋼及Cr13%的鉻鋼和較多的合金油淬鋼，如較大尺寸的9Mn2V鋼。具有單獨冷卻室的雙室氣冷淬火爐的冷卻能力優于相同類型的單室爐。2×105?Pa氮氣冷卻的雙室爐的冷卻效果和4×105?Pa的單室爐相當。但運行成本、維修成本低。由于我國基礎材料工業（石墨、鉬材等）和配套元器件（電動機）等水平有待提高。所以在提高6×105?Pa單室高壓真空護質量的同時，發展雙室加壓和高壓氣冷淬火爐比較符合我國的國情。
圖1 高壓氣冷真空爐
2 強烈淬火法
常規淬火通常用油、水或聚合物溶液冷卻, 而強烈淬火法則用水或低濃度鹽水。強烈淬火的特點是冷速極快,而不必擔心鋼件的過度畸變和開裂。常規淬火冷卻到淬火劑溫度時, 鋼件表層形成拉應力或低應力狀態, 而強烈淬火則在冷卻中途, 工件心部尚處于熱態時便停止冷卻, 使其表層形成壓應力。在強烈淬火條件下, 馬氏體轉變區的冷速>30℃/s時, 鋼件表層的過冷奧氏體受到1200?MPa的壓應力, 使淬火后鋼的屈服強度至少提高25%。
原理：鋼自奧氏體化溫度淬火時, 表面和心部的溫度差會導致內應力。相變組織的比容變化和相變塑性還會引起附加相變應力。若熱應力和相變應力的疊加, 即綜合應力超過材料的屈服強度就會發生塑性變形; 如果共同作用的應力超過熱態鋼的抗拉強度就會形成淬火裂紋。在強烈淬火過程中, 由相變塑性引起的殘余應力和奧氏體-馬氏體轉變的比容變化導致的殘余應力增加。在強烈冷卻時, 工件表面立即冷到槽液溫度, 心部溫度幾乎沒有變化。快速冷卻引起表面層收縮和被心部應力平衡的高拉伸應力。溫度梯度的增加使初始馬氏體轉變造成的拉應力增加, 而馬氏體轉變開始溫度Ms的提高會引起相變塑性導致的表層膨脹, 表面拉應力會明顯減小, 并轉化為壓應力, 表面壓應力數值和生成的的表面馬氏體量成正比。這種表面壓應力決定著心部是否會在壓縮條件下發生馬氏體相變, 或者在進一步冷卻時會使表面拉應力發生逆轉。如果馬氏體轉變使心部體積膨脹足夠大, 并且表層馬氏體很硬很脆, 就會使表層由于應力逆轉而破裂。為此, 鋼件表層應出現壓應力和心部的馬氏體轉變應盡可能晚發生。
強烈淬火試驗和鋼淬火后的性能：強烈淬火方法的優點是在表層形成壓應力, 降低產生裂紋的幾率, 提高硬度和強度。表層形成100% 馬氏體組織, 會使給定鋼種得到最大的淬硬層, 故可用碳鋼代替較貴重的合金鋼, 強烈淬火也可促使鋼獲得均勻的力學性能和產生最小的工件畸變。零件經強烈淬火后, 在交變載荷下的使用壽命大致可提高一個數量級。[1]
圖2?強烈淬火裂紋形成幾率與冷卻速度的關系
3 水空氣混合劑冷卻法
通過調節水和空氣的壓力以及霧化噴嘴到工件表面之間的距離，可以改變水空氣混合劑的冷卻能力，并使冷卻均勻。生產實踐表明，運用該法對形狀復雜的碳鋼或合金鋼零件進行表面感應加熱淬火，可有效防止淬火裂紋的產生。
圖3 水空氣混合劑
4 沸騰水淬火法
采用100℃的沸騰水冷卻，可獲得較好的硬化效果，用于鋼的淬火或正火。目前這項技術已成功運用于對球墨鑄鐵的淬火。以鋁合金為例：按現行的鋁合金鍛件與模鍛件熱處理規范, 淬火水溫一般控制在60℃ 以下, 淬火水溫低, 冷卻速度快, 淬火后產生很大的殘余應力。產品在最終機械加工時, 由于表面形狀及尺寸不一致, 內應力失去平衡, 造成殘余應力的釋放, 使加工成型的零件發生撓曲、彎曲、橢圓等不良變形, 成為無法挽救的最終廢品, 損失嚴重。例如: 螺旋漿、壓縮機葉盤等鋁合金鍛件機械加工后變形明顯, 造成零件尺寸超差。淬火水溫由室溫(30-40℃) 提高到沸水(90-100℃) 溫度時, 鍛件殘余應力平均降低約50%。[2]
圖4 沸水淬火示意圖
5 熱油淬火法
采用熱的淬火油，使工件在進一步冷卻之前的溫度等于或接近Ms點的溫度，以便把溫度差減至最小，能有效地防止淬火工件的畸變和開裂。將小尺寸的合金工具鋼制冷沖模在160～200℃的熱油中淬火，可以有效減少畸變并避免開裂。
圖5 熱油淬火示意圖
6 深冷處理法
將淬火工件由常溫繼續冷卻到更低的溫度，使殘留奧氏體繼續轉變為馬氏體，其目的是提高鋼的硬度和耐磨性，改善工件的組織穩定性和尺寸穩定性，有效地提高工模具的使用壽命。
深冷處理是以液氮為冷卻介質對材料進行處理的方法。深冷處理技術最先應用于受磨損的工具、模具刀具材料，后來擴展到合金鋼、硬質合金等，采用該方法可以改變金屬材料的內部結構，進而改善材料的力學和加工性能，它是目前最新的強韌化處理工藝之一。深冷處理(cryogenictreatment)又稱超低溫處理,一般是指在-130℃以下對材料進行處理而使材料的綜合性能提高的方法。早在100多年前，人們就開始將冷處理應用于鐘表零件中，發現能提高材料的強度、耐磨性、尺寸穩定性和使用壽命。深冷處理工藝則是20世紀60年代在普通冷處理的基 礎之上發展起來的一項新技術。與常規冷處理相比,深冷處理能更加深入地改善材料的機械性能及穩定性，有著更加廣泛的應用前景。
深冷處理的機理：深冷處理后，金屬材料（主要是工模具材料）的內部組織的殘余奧氏體轉變為馬氏體，而且還可使馬氏體內析出彌散碳化物，這樣可消除馬氏體中的殘余應力，還增強了馬氏體基體，因而其硬度和耐磨性也隨之提高。硬度增加的原因是由于部分殘余奧氏體轉變為馬氏體；強韌性的提高是由于彌散、細小的η-Fe3C析出；同時馬氏體含碳量降低，其晶格畸變減小，使材料的塑性改善。
深冷處理設備主要由液氮罐、液氮傳輸系統、深冷箱及控制系統組成。應用中，深冷處理采用多次重復進行。典型的工藝如：1120℃油淬 + -196℃×1h(2-4)次深冷處理 + 200℃×2h回火處理。處理后的組織出現了奧氏體轉變，還從淬火馬氏體中析出高度彌散的與基體保持共格關系的超細碳化物，經隨后的200℃低溫回火后，超細碳化物長大 彌散分布的ε碳化物，其數量和彌散度明顯增大。多次重復深冷處理，一方面使前一次深冷時由殘余奧氏體轉變成的馬氏體中析出超細碳化物，另一方面，在淬火馬氏體中繼續析出微細碳化物。重復工藝可使基體的抗壓強度、屈服強度和沖擊韌性升高，提高了鋼的強韌性，同時使沖擊磨損的抗力明顯提高。
圖6 深冷處理裝置示意圖
一些工件對尺寸要求嚴格,不容許加工過程中由于熱應力而產生過大變形,應該控制深冷處理的降溫速度。另外,為了保證設備內部溫度場均勻性和減小溫度波動度,設計深冷處理系統時就應該考慮到系統的溫度控制精度和流場布置的合理性。在系統設計中 還應注意滿足耗能少、效率高、操作方便等方面的要求。這些都是目前深冷處理系統的發展趨勢。此外,一些正在發展的制冷溫度由常溫向低溫延伸的制冷系統,隨著其最低溫度的下降以及制冷效率的提高,也有望發展成為無液深冷處理系統。[3]
參考文獻：
[1]樊東黎. 強烈淬火——一種新的強化鋼的熱處理方法[J]. 熱處理, 2005, 20(4): 1-3
[2]宋微, 郝冬梅, 王成江. 沸水淬火對鋁合金鍛件組織與機械性能的影響[J]. 鋁加工, 2002, 25(2): 1-3
[3]夏雨亮, 金滔, 湯珂. 深冷處理工藝及設備的發展現狀和展望[J]. 低溫與特氣, 2007, 25(1): 1-3
本文由材料人編輯部學術干貨組Allen供稿，材料牛整理編輯。
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