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金屬模具材料淬火的新技術(shù)
在長期的生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，人們對(duì)金屬內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)不斷加深，特別是自20世紀(jì)60年代以來，隨著透射電子顯微鏡和電子衍射技術(shù)的應(yīng)用以及各種測(cè)試技術(shù)的不斷完善，在馬氏體形態(tài)、亞結(jié)構(gòu)及其與力學(xué)性能的關(guān)系、獲得不同形態(tài)和亞結(jié)構(gòu)馬氏體的條件以及第二相形態(tài)、尺寸、數(shù)量和分布對(duì)力學(xué)性能的影響等方面取得了很大進(jìn)展。
(一)循環(huán)快速加熱淬火
調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)度與奧氏體晶粒度有關(guān)。粒度越細(xì)，強(qiáng)度越高。因此，如何獲得高于10級(jí)晶粒度的超細(xì)晶粒度是提高鋼材強(qiáng)度的重要途徑之一。α→γ→α相變?cè)俳Y(jié)晶后，鋼的晶?？梢赃B續(xù)細(xì)化。提高加熱速度和增加結(jié)晶中心也可以細(xì)化晶粒。循環(huán)快速加熱淬火是根據(jù)這一原理獲得超細(xì)晶粒的新技術(shù)。例如，45鋼可在815℃的鉛浴中加熱淬火4-5次，可將奧氏體晶粒從6級(jí)細(xì)化到12-15級(jí)；另一個(gè)例子是20CrNi9Mo鋼，用3000Hz和200kW中頻感應(yīng)加熱裝置以11℃/s的速度加熱到760℃，然后用水淬火，使σs從960MN/m2增加到1215MN/m2，氣體從1107MN/m2增加到1274MN/m2，延伸率保持在18%不變。
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與正常淬火溫度相比，高溫體系可以獲得板條馬氏體或增加板條馬氏體的數(shù)量，從而獲得良好的綜合性能。
奧氏體含碳量與馬氏體形態(tài)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)表明，所有含碳量小于0.3%的淬火鋼都是板條馬氏體。然而，普通低碳鋼的淬透性非常差。為了獲得馬氏體，除了合金化以提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性外，只有提高奧氏體化溫度和強(qiáng)化淬火冷卻才能實(shí)現(xiàn)。例如，用16Mn鋼制造五鏵犁的犁臂，在10%的氫氧化鈉水溶液中于940℃淬火，低溫回火可獲得良好的效果。
中碳鋼的奧氏體成分可通過高溫淬火得到均勻化，并可獲得更多的條狀馬氏體以提高其綜合性能。例如，870℃淬火、200℃回火的AISl4340鋼，σs為1621MN/m2，斷裂韌性Kc為67.6MN/m，而在1200℃加熱、預(yù)冷至870℃并在200℃回火時(shí)，σs為1586MN/m2，斷裂韌性Kc為81.8Mn/m，與普通淬火相比，高溫淬火的斷裂韌性幾乎提高了一倍。金相分析表明，高溫淬火避免了片狀馬氏體(孿晶馬氏體)的出現(xiàn)，獲得了全部片狀馬氏體。此外，在馬氏體板條外包裹一層厚度為100-200ppm的殘余奧氏體，可以緩沖裂紋的應(yīng)力集中，從而提高斷裂韌性。
(三)高碳鋼的低溫、快速和短時(shí)加熱和淬火
通常，高碳鋼零件具有高強(qiáng)度，但在低溫回火條件下具有低韌性和塑性。為了改善這些性能，目前已經(jīng)采用了一些特殊的新工藝。
高碳低合金鋼加熱迅速且時(shí)間短。因?yàn)楦咛嫉秃辖痄摰拇慊饻囟韧ǔH略高于Ac1點(diǎn)，所以通過延長時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)碳化物的溶解和奧氏體的均勻化。如果采用快速短時(shí)加熱，奧氏體中碳含量低，韌性提高。如T10V鋼鑿巖機(jī)活塞在720℃預(yù)熱16分鐘，在850℃鹽浴淬火8分鐘，在220℃回火72分鐘，使用壽命從500米提高到0米。如前所述，高合金工具鋼的淬火溫度通常遠(yuǎn)高于Ac1點(diǎn)。淬火溫度降低，奧氏體中碳含量和合金元素含量降低，韌性提高。例如，用W18Cr4V高速鋼作為象棋工具，在1190℃淬火，其強(qiáng)度和耐磨性比其他冷加工模具鋼高，韌性也較好。
?。ㄋ?亞共析鋼的亞溫淬火
亞共析鋼在AC1和AC3溫度之間的加熱淬火稱為亞溫淬火，即在低于正常淬火溫度的溫度下淬火。其目的是提高沖擊韌性，降低冷脆轉(zhuǎn)變溫度和回火脆性傾向。930℃淬火、650℃回火和800℃亞溫淬火后，韌性隨回火溫度的升高單調(diào)增加，沒有回火脆性。亞溫淬火可以提高韌性，消除回火脆性的原因。有人認(rèn)為這主要是由于殘余的鐵素體，它使脆性雜質(zhì)原子磷，銻等。富含鐵索體。有人研究了45、40Cr和60Si2鋼直接亞溫淬火(不作為中間處理的再加熱淬火)時(shí)淬火溫度對(duì)力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)Ac1和Ac3之間的淬火溫度對(duì)力學(xué)性能影響更大。在Ac3以下5~10℃淬火時(shí)，硬度、強(qiáng)度和沖擊值達(dá)到更大值，略高于正常淬火。而當(dāng)淬火溫度略高于Ac1時(shí)，沖擊值更低。認(rèn)為這可能是由于淬火組織中存在大量鐵素體和高碳馬氏體所致。
顯然，亞溫淬火對(duì)提高韌性和消除回火脆性具有特殊意義。它可以在預(yù)淬火后進(jìn)行，也可以直接進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不充分，關(guān)于淬火溫度應(yīng)該有多高的觀點(diǎn)也不完全一致。但是，為了保證足夠的強(qiáng)度并使殘留的鐵索體均勻細(xì)小，亞溫淬火溫度應(yīng)略低于Ac1。
等溫淬火的發(fā)展
近年來的大量實(shí)踐證明，在相同的硬度或強(qiáng)度下，等溫淬火的韌性和斷裂韌性高于低溫淬火和回火。因此，人們對(duì)如何獲得下貝氏體組織進(jìn)行了大量的研究，并開發(fā)了許多等溫淬火方法，現(xiàn)簡要介紹如下:
1.預(yù)冷和等溫淬火
該方法采用兩種不同溫度的鹽浴。工件加熱后，先在較低溫度的鹽浴中冷卻，然后轉(zhuǎn)移到等溫淬火槽中進(jìn)行下貝氏體轉(zhuǎn)變；拿出來，空氣冷卻。該方法適用于淬透性差或尺寸大的工件，采用低溫鹽浴預(yù)冷，提高冷卻速度，避免高溫冷卻時(shí)部分珠光體或上貝氏體轉(zhuǎn)變。例如，由(0.5~0.5)%C和0.5%Mn鋼制成的3毫米厚的收割機(jī)刀片的硬度不能滿足普通等溫淬火的要求，但可以通過首先在250℃鹽浴中冷卻30秒，然后移動(dòng)到320℃鹽浴中30分鐘來滿足要求。
?、差A(yù)淬火等溫淬火
將加熱后的工件在低于Ms點(diǎn)的熱浴中淬火，獲得10%的馬氏體，然后移入等溫淬火槽中進(jìn)行等溫下貝氏體相變，取出空冷，然后根據(jù)性能要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡蜏鼗鼗?。?dāng)預(yù)淬火中獲得的馬氏體量小時(shí)，可能無法進(jìn)行回火。
在該方法中，通過利用通過預(yù)淬火獲得的馬氏體的催化作用，縮短了貝氏體等溫轉(zhuǎn)變所需的時(shí)間。因此，該方法適用于合金工具鋼下貝氏體等溫轉(zhuǎn)變需要較長時(shí)間的情況。在等溫轉(zhuǎn)變過程中，通過預(yù)淬火獲得的馬氏體被回火。
3.分級(jí)等溫淬火
在下貝氏體等溫轉(zhuǎn)變之前，一級(jí)(或二級(jí))冷卻過程在中溫區(qū)進(jìn)行。該工藝能降低熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，工件變形和開裂傾向小，同時(shí)能保持強(qiáng)度和塑性的良好結(jié)合，適用于高合金鋼(如高速鋼等)的熱處理。)具有復(fù)雜形狀的工具。
(五）其他淬火方法
此外，還有一種液氮淬火方法，即工件在-196℃直接淬火成液氮。由于液氮的汽化潛熱很小，只有水的十分之一，工件淬火成液氮后立即被氣體包圍，沒有普通淬火介質(zhì)冷卻的三個(gè)階段，所以變形和開裂很少，冷卻速度是水的五倍。液氮淬火可以使馬氏體轉(zhuǎn)變相當(dāng)完全，殘余奧氏體量很少，同時(shí)可以獲得較高的硬度、耐磨性和尺寸穩(wěn)定性。但是成本很高，只適用于形狀復(fù)雜的零件。
流化床淬火已被廣泛應(yīng)用。由于其冷卻速度是可調(diào)的(相當(dāng)于從空氣到油的冷卻能力)，而且表面沒有形成蒸汽膜，工件冷卻均勻，變形小。因?yàn)槔鋮s速度可以在從空氣冷卻到油冷卻的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，所以冷卻過程可以由程序控制。它可以代替間斷淬火和分級(jí)淬火工序，處理形狀復(fù)雜、變形要求嚴(yán)格的重要零件和工具。
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