簡介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）以上的溫度，保溫一段時間使其全部或部分奧氏體化，然后冷卻至高于臨界冷卻速率的溫度 快速冷卻到 Ms（或等溫附近的 Ms）馬氏體（或貝氏體）熱處理工藝。鋁合金、銅合金、鈦合金、鋼化玻璃等材料的固溶處理，或快速冷卻的熱處理工藝，通常也稱為淬火。淬火是一種常見的熱處理工藝，主要用于增加材料的硬度。通常從淬火介質(zhì)上，可分為水淬、油淬、有機淬。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的淬火工藝。1高壓空冷淬火方法工件在強惰性氣流中快速均勻冷卻，防止表面氧化，避免開裂，減少變形，確保所需的硬度，主要用于工具鋼的淬火。這項技術(shù)最近發(fā)展迅速，應(yīng)用范圍也大大擴大。目前，真空氣淬技術(shù)發(fā)展迅速，負壓（<1×105 Pa）大流量氣冷緊隨其后的是氣冷和高壓（1×105～4×105 Pa）10×105 Pa）空氣中冷、超高壓（10×105～20×105 Pa）風(fēng)冷等新技術(shù)不僅大大增強了風(fēng)冷的真空淬火能力，而且淬火后的工件表面光潔度好，變形小，而且還具有高效、節(jié)能、無污染等特點。真空高壓氣冷淬火的用途是材料的調(diào)質(zhì)，不銹鋼及特殊合金的固溶、時效、離子滲碳和碳氮共滲，以及釬焊后的真空燒結(jié)、冷卻和淬火。采用6×105Pa高壓氮冷淬火，負載只能松冷，高速鋼（W6Mo5Cr4V2）可硬化至70~100mm，高合金熱作模具鋼可達25~100mm，金冷工作模具鋼（如Cr12）可達80～100 mm。用 10 × 10 5 Pa 的高壓氮氣淬火時，冷卻負荷可以密集，在 6 × 10 5 Pa 的冷卻下，負荷密度增加約 30% 至 40%。當用 20 × 10 5 Pa 的超高壓氮氣淬火時壓力氮氣或氦氣和氮氣的混合物，冷卻負載密集，可以捆綁在一起。密度為6×105 Pa的氮氣冷卻80%至150%，可冷卻所有高速鋼、高合金鋼、熱作工具鋼和Cr13%鉻鋼和更多合金油淬鋼，如更大型的9Mn2V鋼。具有獨立冷卻室的雙室風(fēng)冷淬火爐比同類型的單室爐具有更好的冷卻能力。 2×105 Pa氮冷雙室爐的冷卻效果與4×105 Pa單室爐相同。但運行成本、維護成本低。隨著我國基礎(chǔ)材料工業(yè)（石墨、鉬等）和配套元件（電機）等水平的提高。因此，在提高6×105 Pa單室高壓真空托的同時，保持雙室高壓風(fēng)冷淬火爐的發(fā)展更符合我國國情。圖1高壓空冷冷卻真空爐2強淬火法常規(guī)淬火通常是用油、水或聚合物溶液冷卻，而強淬火規(guī)則用水或低濃度鹽水。強淬火的特點是冷卻速度極快，不必擔心鋼材過度變形和開裂。常規(guī)淬火冷卻到淬火溫度，鋼材表面張力或低應(yīng)力狀態(tài)，而強淬在冷卻中途，工件心部仍處于熱態(tài)停止冷卻，使表面形成壓應(yīng)力。在嚴酷的淬火條件下，當馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)的冷卻速度高于30 ℃/s時，鋼表面的過冷奧氏體受到1200 MPa的壓應(yīng)力，使淬火后鋼的屈服強度至少增加25%。原理：鋼從奧氏體化溫度淬火，表面和心臟之間的溫差會導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力。相變比容和相變塑料的相變也會引起額外的相變應(yīng)力。如果熱應(yīng)力和相變應(yīng)力疊加，即整體應(yīng)力超過材料的屈服強度，就會發(fā)生塑性變形；如果應(yīng)力超過熱鋼的抗拉強度，就會形成淬火裂紋。強化淬火過程中，相變塑性引起的殘余應(yīng)力和奧氏體-馬氏體相變比體積變化引起的殘余應(yīng)力增大。在激烈的冷卻中，工件表面立即冷卻到鍍液溫度，心臟溫度幾乎不變?？焖倮鋮s會導(dǎo)致高拉伸應(yīng)力，使表層收縮并由心臟應(yīng)力平衡。溫度梯度的增加增加了初始馬氏體相變引起的拉應(yīng)力，而馬氏體相變起始溫度Ms的增加會導(dǎo)致表層因相變塑性而膨脹，表面拉應(yīng)力會顯著降低并轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，表面壓應(yīng)力與產(chǎn)生的表面馬氏體量成正比。這種表面壓應(yīng)力決定了心臟在壓縮條件下是否經(jīng)歷馬氏體轉(zhuǎn)變，或者在進一步冷卻時，會逆轉(zhuǎn)表面拉應(yīng)力。如果心臟體積膨脹的馬氏體轉(zhuǎn)變足夠大，而表面馬氏體又硬又脆，就會使表層因應(yīng)力反轉(zhuǎn)而斷裂。為此，鋼表面應(yīng)盡可能晚出現(xiàn)壓應(yīng)力和心馬氏體轉(zhuǎn)變。 強淬火試驗和鋼淬火性能：強淬火方法的優(yōu)點是在表面形成壓應(yīng)力，降低開裂的風(fēng)險并提高硬度和強度。 100%馬氏體的表面形成，鋼將被賦予最大的硬化層，它可以代替更昂貴的鋼碳鋼，強烈的淬火還可以促進鋼的均勻力學(xué)性能和產(chǎn)生最小的工件變形。零件淬火后，交變載荷下的使用壽命可提高一個數(shù)量級。 [1]圖2 強淬火裂紋形成概率與冷卻速度的關(guān)系3 水氣混合冷卻方式通過調(diào)節(jié)水氣壓力和霧化噴嘴與工件表面的距離，水氣混合冷卻能力可以變化，冷卻可以均勻。生產(chǎn)實踐表明，對形狀復(fù)雜的碳素鋼或合金鋼零件采用感應(yīng)淬火法進行表面淬火，可有效防止淬火裂紋的產(chǎn)生。 圖3 水氣混合物4 沸水淬火法 采用100℃沸水冷卻，能得到較好的淬火效果，用于鋼的淬火或正火。目前，該技術(shù)已成功應(yīng)用于球墨鑄鐵的淬火。以鋁合金為例：根據(jù)現(xiàn)行鋁合金鍛件和鍛件的熱處理規(guī)范，淬火水溫一般控制在60℃以下，淬火水溫低，冷卻速度快，殘留量大淬火后產(chǎn)生應(yīng)力。在最終加工中，由于表面形狀和尺寸的不一致，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力失衡，導(dǎo)致殘余應(yīng)力的釋放，導(dǎo)致加工零件的變形、彎曲、橢圓等變形部分成為不可逆的最終廢料損失慘重。例如：螺旋槳、壓氣機葉片等鋁合金鍛件加工后變形明顯，造成零件尺寸公差。淬火水溫從室溫（30-40℃）升高到沸水（90-100℃）溫度，平均鍛件殘余應(yīng)力降低約50%。 [2]圖4沸水淬火示意圖5熱油淬火法使用熱淬油，使工件進一步冷卻前的溫度等于或接近Ms點的溫度，以盡量減少溫差，可有效防止淬火工件變形和開裂。小型合金工具鋼模具在熱油淬火中冷160~200℃，可有效減少變形，避免開裂。 圖5 熱油淬火示意圖6 深冷處理方法將淬火后的工件從室溫連續(xù)冷卻到較低溫度，使殘余奧氏體繼續(xù)向馬氏體轉(zhuǎn)變，其目的是提高鋼的硬度和耐磨性，提高工件的組織穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性，有效提高刀具壽命。深冷處理是液氮作為用于材料加工方法的冷卻介質(zhì)。深冷處理技術(shù)最早應(yīng)用于耐磨工具、模具工具材料，后來擴展到合金鋼、硬質(zhì)合金等，使用這種方法可以改變金屬材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而提高機械性能和加工性能，即目前最新的增韌工藝之一。低溫處理（Cryogenictreatment），又稱超低溫處理，一般是指對低于-130℃的材料進行處理，以提高材料的綜合性能。早在100年前，人們就開始將冷處理應(yīng)用于手表零件，發(fā)現(xiàn)可以提高強度、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性和使用壽命。深冷處理是1960年代在普通冷處理基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)。與常規(guī)冷處理相比，深冷處理可以進一步提高材料的力學(xué)性能和穩(wěn)定性，具有更廣闊的應(yīng)用前景。深冷處理機理：深冷處理后金屬材料（主要是模具）內(nèi)部組織中的殘余奧氏體材料）轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，析出的碳化物也在馬氏體中析出，這樣既可以消除馬氏體中的殘余應(yīng)力，又可以增強馬氏體基體，因此其硬度和耐磨性也會增加。硬度增加的原因是部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。韌性的增加是由于分散和少量的 η-Fe3C 析出。同時，馬氏體碳含量降低，晶格畸變減小，塑性提高。深冷處理設(shè)備主要由液氮罐、液氮輸送系統(tǒng)、深冷箱和控制系統(tǒng)組成。在應(yīng)用中，多次重復(fù)低溫處理。典型工藝如：1120℃油淬+-196℃×1h（2-4）深冷處理+200℃×2h回火。處理后的組織出現(xiàn)了奧氏體的轉(zhuǎn)變，而且還析出從淬火馬氏體中析出的與基體具有高度共格關(guān)系的超細碳化物，隨后在200℃低溫回火后，超細碳化物生長分散ε碳化物，數(shù)量和分散度顯著增加。多次重復(fù)低溫處理。一方面，超細碳化物是從先前深冷時的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變而來的馬氏體中析出的。另一方面，微細的碳化物繼續(xù)在淬火馬氏體中析出。重復(fù)工藝可以使基體的抗壓強度、屈服強度和沖擊韌性提高，提高鋼的韌性，同時使得抗沖擊耐磨性顯著提高。 圖6 深冷處理裝置示意圖 有些工件對尺寸要求嚴格，不允許加工過程中因熱應(yīng)力過大引起變形，深冷處理應(yīng)控制冷卻速度。此外，為保證設(shè)備內(nèi)部溫度場的均勻性，減少溫度波動，深冷處理系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)兼顧系統(tǒng)溫度控制精度和流場布置的合理性。在系統(tǒng)設(shè)計中還應(yīng)注意滿足能耗少、效率高、操作方便等要求。這些是目前深冷處理系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。此外，一些發(fā)展中的制冷溫度從常溫延伸到低溫的制冷系統(tǒng)，隨著其最低溫度的降低和制冷效率的提高，也有望發(fā)展為無液深冷處理系統(tǒng)。 [3]參考文獻：[1]樊東黎．強淬火——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.鍛件沸水固化對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(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].低溫與特氣, 2007, 25(1): 1-3
資料來源：Meeyou Carbide