【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，節(jié)約能源。采用高溫固溶處理加790℃/680℃循環(huán)球化退火，可獲得高彌散度碳化物，使CrWnMn鋼的最終組織得到改善，強(qiáng)韌性明顯提高。復(fù)合熱處理。摘　要：研究了CrWMn鋼經(jīng)復(fù)合熱處理后的組織變化。結(jié)果表明，采用790℃/680℃循環(huán)球化退火可代替常規(guī)等溫球化退火，并能縮短球化退火周期，節(jié)約能源。采用高溫固溶處理加790℃/680℃循環(huán)球化退火，可獲得高彌散度碳化物，使CrWnMn鋼的最終組織得到改善，強(qiáng)韌性明顯提高。 關(guān)鍵詞：CrWMn鋼；復(fù)合熱處理；球化退火；顯微組織 1　前言 CrWMn鋼可用于制造各種形狀復(fù)雜的冷擠壓模和沖裁模，具有較高的淬透性，淬火和低溫回火后具有較高的硬度和耐磨性。但經(jīng)常規(guī)熱處理后此鋼易形成網(wǎng)狀碳化物，在模具的受力部位形成開裂和剝落。模具的失效主要是由磨損、強(qiáng)度和韌性不足而造成的。本文擬通過(guò)適當(dāng)?shù)膹?fù)合熱處理來(lái)改善CrWMn鋼的組織，提高其強(qiáng)度和韌性，以獲得較好的綜合性能。 2　試驗(yàn)過(guò)程 試驗(yàn)用CrWMn鋼為40mm棒材，為淬火＋低溫回火態(tài)，硬度58HRC。其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。 表1　CrWMn鋼的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　w(%) 元素CCrWMnSi 含量0．90～1．050．90～1．201．20～1．600．8～1．100．15～0．35對(duì)CrWMn鋼的復(fù)合熱處理分為兩個(gè)步驟，一是預(yù)處理，二是淬火＋低溫回火。預(yù)處理工藝見(jiàn)圖1。 圖1　CrWMn鋼預(yù)處理工藝 (a)　常規(guī)退火(b)　等溫球化退火 (c)　循環(huán)球化退火(d)　高溫固溶＋循環(huán)球化退火CrWMn鋼經(jīng)不同工藝預(yù)處理后，選擇組織形態(tài)、分布較好的試樣，在不同溫度條件下進(jìn)行淬火＋低溫回火的最終熱處理，觀察其組織形態(tài)與分布，測(cè)定硬度變化。最終熱處理工藝見(jiàn)圖2。 圖2　CrWMn鋼淬火＋回火工藝3　試驗(yàn)結(jié)果及分析 圖3為CrWMn鋼經(jīng)不同預(yù)處理工藝處理后的顯微組織照片，CrWMn鋼經(jīng)常規(guī)退火后的硬度為180～190HB，經(jīng)圖1所示熱處理工藝處理后為180～200HB。 圖3　CrWMn鋼預(yù)處理后組織 (a)　常規(guī)退火(b)等溫球化退火(c)　循環(huán)球化退火(d)　固溶＋循環(huán)球化退火由圖3可看出，經(jīng)常規(guī)退火處理后的CrWMn鋼組織中碳化物呈片狀分布；經(jīng)810℃等溫球化退火處理后，碳化物呈不規(guī)則的顆粒狀分布在鐵素體基體上，分布不均勻；經(jīng)790℃/680℃3次循環(huán)球化退火處理后，顆粒狀碳化物尺寸變小，分布較為均勻；經(jīng)1050℃固溶加790℃/680℃3次循環(huán)球化退火處理后，碳化物呈細(xì)小顆粒狀析出且彌散程度高。 從工藝上看，在獲得相同硬度情況下，用790℃/680℃3次循環(huán)球化退火，不僅可代替830℃等溫球化退火，而且能改善組織中碳化物的形態(tài)和分布、縮短球化退火時(shí)間，節(jié)約能源。這是因?yàn)檠h(huán)球化退火在Ac1(750℃)以上加熱保溫過(guò)程中，片狀珠光體中的碳化物從尖角處溶解破斷，而在Ar1(710℃)以下保溫過(guò)程中，在原片狀碳化物的平面處析出顆粒狀碳化物，從而加速了CrWMn鋼球化過(guò)程的進(jìn)行，改善了碳化物的形態(tài)和分布。在1050℃高溫條件下，CrWMn鋼中大量難溶的W、Cr等合金元素的碳化物溶入奧氏體中，經(jīng)油淬后得到馬氏體或下貝氏體組織，在隨后進(jìn)行的790℃/680℃循環(huán)球化退火過(guò)程中，則會(huì)彌散地析出點(diǎn)狀的W、Cr的碳化物。 因此，對(duì)于一般要求的CrWMn鋼，采用790℃/680℃3次循環(huán)球化退火工藝，既可滿足組織和硬度的要求，又能提高生產(chǎn)率，降低能耗；而對(duì)要求較高的可選用1050℃高溫固溶加790℃/680℃3次循環(huán)球化退火的預(yù)處理工藝。 圖4為經(jīng)1050℃固溶加790℃/680℃3次循環(huán)球化退火處理后，經(jīng)不同溫度油淬低溫回火后的CrWMn鋼的顯微組織。 圖4　CrWMn鋼不同溫度淬火＋低溫回火后組織 (a)　790℃淬火＋200℃回火(b)　830℃淬火＋200℃回火(c)　870℃淬火＋200℃回火(d)　900℃淬火＋200℃回火4 結(jié)論 (1)　對(duì)CrWMn鋼采用790℃/680℃　3次循環(huán)球化替代常規(guī)退火、等溫球化退火，不僅可以改善其組織狀態(tài)和性能，而且還可以提高熱處理生產(chǎn)率，降低能耗。 (2)　1050℃固溶加790℃/680℃　3次循環(huán)球化退火，可進(jìn)一步改善CrWMn鋼的組織狀態(tài)分布，提高其性能。 (3)　經(jīng)1050℃固溶加790℃/680℃　3次循環(huán)球化退火處理后，再經(jīng)830℃油淬200℃回火處理，CrWMn鋼組織均勻而細(xì)小，碳化物彌散程度高，其耐磨性和綜合性能好。■ 作者簡(jiǎn)介：陳文華(1963—)，男，碩士，講師。主要研究方向?yàn)榻饘俦砻娓男约敖饘俨牧虾附?。?lián)系電話：0254892912(O) 作者單位：陳文華(南京航空航天大學(xué)，南京210016) 參考文獻(xiàn)： ［1］［J］．模具技術(shù)，1994(1)． ［2］蔡　繤等．低溫快速球化處理［J］．金屬熱處理，1992(4)：8～11． ［3］滿　波．高碳鋼和軸承鋼的周期球化退火工藝［J］．金屬熱處理，1993(6)：43～44．八、淬火介紹（1）鋼的淬火淬火時(shí)將鋼加熱到Ac3或Ac1以上，保溫一定時(shí)間使其奧氏體化，再以大于臨界冷卻速度快速冷卻，從而發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。淬火鋼得到的組織主要是馬氏體（或下貝氏體），此外，還有少量殘余奧氏體及未溶的第二相。淬火的目的是提高鋼的硬度和耐磨性。 淬火加熱溫度 碳鋼的淬火加熱溫度可利用FeFe3C相圖來(lái)選擇。對(duì)于亞共析碳鋼，適宜的淬火溫度為Ac3+30～50℃，使碳鋼完全奧氏體化，淬火后獲得均勻細(xì)小的馬氏體組織。對(duì)于過(guò)共析碳鋼，適宜的淬火溫度為Ac1+30～50℃。淬火前先進(jìn)行球化退火，使之得到粒狀珠光體組織，淬火加熱時(shí)組織為細(xì)小奧氏體晶粒和未溶的細(xì)粒狀滲碳體，淬火后得到隱晶馬氏體和均勻分布在馬氏體基體上的細(xì)小粒狀滲碳體組織。對(duì)于低合金鋼，淬火加熱溫度也根據(jù)臨界點(diǎn)Ac1或Ac3來(lái)確定，一般為Ac1或Ac3以上50～100℃。高合金工具鋼中含有較多的強(qiáng)碳化物形成元素，奧氏體晶粒粗化溫度高，故淬火溫度亦高。淬火加熱時(shí)間　　為了使工件各部分完成組織轉(zhuǎn)變，需要在淬火加熱時(shí)保溫一定的時(shí)間，通常將工件升溫和保溫所需的時(shí)間計(jì)算在一起，統(tǒng)稱為加熱時(shí)間。 影響淬火加熱時(shí)間的因素較多，如鋼的成分、原始組織、工件形狀和尺寸、加熱介質(zhì)、爐溫、裝爐方式及裝爐量等?！　′撛诖慊鸺訜徇^(guò)程中，如果操作不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱、過(guò)燒或表面氧化、脫碳等缺陷?！　∵^(guò)熱是指工件在淬火加熱時(shí)，由于溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成奧氏體晶粒粗大的現(xiàn)象。過(guò)熱不僅使淬火后得到的馬氏體組織粗大，使工件的強(qiáng)度和韌性降低，易于產(chǎn)生脆斷，而且容易引起淬火裂紋。對(duì)于過(guò)熱工件，進(jìn)行一次細(xì)化晶粒的退火或正火，然后再按工藝規(guī)程進(jìn)行淬火，便可以糾正過(guò)熱組織?！　∵^(guò)燒是指工件在淬火加熱時(shí)，溫度過(guò)高，使奧氏體晶界發(fā)生氧化或出現(xiàn)局部熔化的現(xiàn)象，過(guò)燒的工件無(wú)法補(bǔ)救，只得報(bào)廢。（2）鋼的表面淬火表面淬火是對(duì)工件表層進(jìn)行淬火的工藝。它是將工件表面進(jìn)行快速加熱，使其奧氏體化并快速冷卻獲得馬氏體組織，而心部仍保持原來(lái)塑性、韌性較好的退火、正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)的組織。表面淬火后需進(jìn)行低溫回火，以減少淬火應(yīng)力和降低脆性。表面淬火可有效提高工件表面層的硬度和耐磨性，達(dá)到外硬內(nèi)韌的效果，并可造成表面層壓應(yīng)力狀態(tài)，提高疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)工件的使用壽命。 感應(yīng)加熱表面淬火法的原理如圖166（a）所示。把工件放入由空心銅管繞成的感應(yīng)線圈中，當(dāng)感應(yīng)線圈通以交流電時(shí)，便會(huì)在工件內(nèi)部感應(yīng)產(chǎn)生頻率相同、方向相反的感應(yīng)電流。感應(yīng)電流在工件內(nèi)自成回路，故稱為“渦流”。渦流在工件截面上的分布是不均勻的，如圖166（b）所示，表面電流密度最大，心部電流密度幾乎為零，這種現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。由于鋼本身具有電阻，因而集中于工件表面的渦流，幾秒種可使工件表面溫度升至800～1000℃，而心部溫度仍接近室溫，在隨即噴水（合金鋼浸油）快速冷卻后，就達(dá)到了表面淬火的目的。 感應(yīng)加熱時(shí)，工件截面上感應(yīng)電流密度的分布與通入感應(yīng)線圈中的電流頻率有關(guān)。電流頻率愈高，感應(yīng)電流集中的表面層愈薄，淬硬層深度愈小。因此可通過(guò)調(diào)節(jié)通入感應(yīng)線圈中的電流頻率來(lái)獲得工件不同的淬硬層深度，一般零件淬硬層深度為半徑的1／10左右。對(duì)于小直徑（10～20mm）的零件，適宜用較深的淬硬層深度，可達(dá)半徑的1／5，對(duì)于大截面零件可取較淺的淬硬層深度，即小于半徑1／10以下。 火焰加熱表面淬火法是用乙炔一氧火焰（最高溫度3200℃）或煤氣一氧火焰（最高溫度2000℃），對(duì)工件表面進(jìn)行快速加熱，并隨即噴水冷卻。淬硬層深度一般為2～6mm。適用于單件小批量生產(chǎn)以及大型零件（如大型軸類、模數(shù)齒輪等）的表面淬火?；鹧婕訜岜砻娲慊鸬膬?yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，靈活性大。缺點(diǎn)是加熱溫度不易控制，工件表面易過(guò)熱，淬火質(zhì)量不夠穩(wěn)定。 激光加熱表面淬火是以高能量激光束掃描工件表面，使工件表面快速加熱到鋼的臨界點(diǎn)以上，利用工件基體的熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)自冷淬火，實(shí)現(xiàn)表面相變硬化。 激光加熱表面淬火加熱速度極度快（105～106℃／s），因此過(guò)熱度大，相變驅(qū)動(dòng)力大，奧氏體形核數(shù)目劇增，擴(kuò)散均勻化來(lái)不及進(jìn)行，奧氏體內(nèi)碳及合金濃度不均勻性增大，奧氏體中碳含量相似的微觀區(qū)域變小，隨后的快冷（104℃／s）中不同微觀區(qū)域內(nèi)馬氏體形成溫度有很大差異，產(chǎn)生細(xì)小馬氏體組織。由于快速加熱，珠光體組織通過(guò)無(wú)擴(kuò)散轉(zhuǎn)化為奧氏體組織；由于快速冷卻，奧氏體組織通過(guò)無(wú)擴(kuò)散轉(zhuǎn)化為馬氏體組織，同時(shí)殘余奧氏體量增加，碳來(lái)不及擴(kuò)散，使過(guò)冷奧氏體碳含量增加，馬氏體中碳含量增加，硬度提高。 激光加熱表面淬火后，工件表層獲得極細(xì)小的板條馬氏體和孿晶馬氏體的混合組織，且位錯(cuò)密度極高，表層硬度比淬火＋低溫回火提高20％，即使是低碳鋼也能提高一定的硬度。 ～1mm，硬化層硬度值一致。隨零件正常相對(duì)接觸摩擦運(yùn)動(dòng)，表面雖然被磨去，但新的相對(duì)運(yùn)動(dòng)接觸面的硬度值并未下降，耐磨性仍然很好，因而不會(huì)發(fā)生常規(guī)表面淬火層由于接觸磨損，磨損隨之加劇的現(xiàn)象，耐磨性提高了50％，工件使用壽命提高了幾倍甚至十幾倍。 激光加熱表面淬火最佳的原始組織是調(diào)質(zhì)組織，淬火后零件變形極小，表面質(zhì)量很高，特別適用于拐角、溝槽、盲孔底部及深孔內(nèi)壁的熱處理，而這些部位是其它表面淬火方法極難做到的。（3）淬火處理的常見(jiàn)問(wèn)題Ms點(diǎn)隨C%的增加而降低,淬火時(shí)，過(guò)冷奧氏體開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的溫度稱之為Ms點(diǎn)，轉(zhuǎn)變完成之溫度稱之為Mf點(diǎn)。C%含量愈高，Ms點(diǎn)溫度愈降低。%C碳鋼的Ms溫度約為350℃左右，%C碳鋼就降低至約200℃左右。 淬火液可添加適當(dāng)?shù)奶砑觿?水中加入食鹽可使冷卻速率加倍：鹽水淬火之冷卻速率快，且不會(huì)有淬裂及淬火不均勻之現(xiàn)象，可稱是最理想之淬硬用冷卻劑。食鹽的添加比例以重量百分比10%為宜。 水中有雜質(zhì)比純水更適合當(dāng)淬火液：水中加入固體微粒，有助於工件表面之洗凈作用，破壞蒸氣膜作用，使得冷卻速度增加，可防止淬火斑點(diǎn)的發(fā)生。因此淬火處理，不用純水而用混合水之淬火技術(shù)是很重要的觀念。 聚合物可與水調(diào)配成水溶性淬火液：聚合物淬火液可依加水程度調(diào)配出由水到油之冷卻速率之淬火液，甚為方便，且又無(wú)火災(zāi)、污染及其他公害之慮，頗具前瞻性。 干冰加乙醇可用於深冷處理溶液：將干冰加入乙醇中可產(chǎn)生76℃之均勻溫度，是很實(shí)用的低溫冷卻液。 （4）鋼淬火冷卻介質(zhì)淬火冷卻時(shí)，既要快速冷卻以保證淬火工件獲得馬氏體組織，又要減少變形，防止裂紋產(chǎn)生。因此，冷卻是關(guān)系到淬火質(zhì)量高低的關(guān)鍵操作。理想淬火冷卻速度　由共析鋼過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線得知，要得到馬氏體，淬火的冷卻速度就必須大于臨界冷卻速度。但是淬火鋼在整個(gè)冷卻過(guò)程中并不需要都進(jìn)行快速冷卻。關(guān)鍵是在過(guò)冷奧氏體最不穩(wěn)定的C曲線鼻尖附近，即在650～400℃的溫度范圍內(nèi)要快速冷卻。而從淬火溫度到650℃之間以及400℃以下，特別是300～200℃以下并不希望快冷。因?yàn)榇慊鹄鋮s中工件截面的內(nèi)外溫度差會(huì)引起熱應(yīng)力。另外，由于鋼中的比容（單位質(zhì)量物質(zhì)的體積）不同，其中馬氏體的比容最大，奧氏體的比容最小，因此，馬氏體的轉(zhuǎn)變將使工件的體積脹大，如冷卻速度較大，工件截面上的內(nèi)外溫度差將增大，使馬氏體轉(zhuǎn)變不能同時(shí)進(jìn)行而造成相變應(yīng)力。冷卻速度越大，熱應(yīng)力和相變應(yīng)力越大，鋼在馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程中便容易引起變形與裂紋。常用淬火介質(zhì)　工件淬火冷卻時(shí)，要使其得到合理的淬火冷卻速度，必須選擇適當(dāng)?shù)拇慊鸾橘|(zhì)。目前生產(chǎn)中應(yīng)用的冷卻介質(zhì)是水和油。當(dāng)冷卻介質(zhì)為20℃的自來(lái)水，工件溫度在200～300℃時(shí)，平均冷卻速度為450℃/s；工件溫度在340℃時(shí)，平均冷卻速度為775℃/s；工件溫度在500～650℃時(shí)，平均冷卻速度為135℃/s。因此，水的冷卻特性并不理想，在需要快冷的500～650℃溫度范圍內(nèi)，它的冷卻速度很小，而在200～300℃需要慢冷時(shí)，它的冷卻速度反而很大。水　　水是應(yīng)用最早、最廣泛、最經(jīng)濟(jì)的淬火介質(zhì)，它價(jià)廉易得、無(wú)毒、不燃燒、物理化學(xué)性能穩(wěn)定、冷卻能力強(qiáng)。通過(guò)控制水的溫度、提高壓力、增大流速、采用循環(huán)水、利用磁場(chǎng)作用等，均可以改善水的冷卻特性，減少變形和開裂，獲得比較理想的淬火效果。但由于這些方法需增加專門設(shè)備，且工件淬火后性能不是很穩(wěn)定，所以沒(méi)有能得到廣泛推廣應(yīng)用。所以說(shuō)。純水只適合于少數(shù)含碳量不高、淬透性低且形狀簡(jiǎn)單的鋼件淬火之用。 淬火油　　用于淬火的礦物油通常以精制程度較高的中性石蠟基油為基礎(chǔ)油，它具有閃點(diǎn)高、粘度低、油煙少，抗氧化性與熱穩(wěn)定性較好，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，適合于作淬火油使用。淬火油只使用于淬透性好、工件壁厚不大、形狀復(fù)雜、要求淬火變形小的工件。淬火油對(duì)周圍環(huán)境的污染大，淬火時(shí)容易引起火災(zāi)。影響淬火油冷卻能力的主要因素是其粘度值，在常溫下低粘度油比高粘度油冷卻能力大，溫度升高，油的流動(dòng)性增加，冷卻能力有所提高。適當(dāng)提高淬火油的使用溫度，也能使油的冷卻能力提高。 熔鹽，熔堿