呂 揚

(中國一重鑄鍛鋼事業(yè)部熱處理廠，黑龍江161042)

淬火應(yīng)變的出現(xiàn)涉及3個階段：一是加熱(基于內(nèi)應(yīng)力的消除)；二是保溫(自重下垂，即下垂彎曲)；三是冷卻(基于不均勻的冷卻和相變)。這3個階段互相疊加最終導(dǎo)致零件的淬火應(yīng)變。

表1列出了不同熱處理方法產(chǎn)生淬火應(yīng)變的主要原因。圖1為淬火變形說明圖。

表1 淬火應(yīng)變的主要原因Table 1 Main cause of quenching strain

1 淬火應(yīng)變原因分析

1.1 組織

通常尺寸變化是由組織變化引起的，即由相變引起的膨脹和收縮造成的。淬火生成馬氏體時發(fā)生膨脹；而生成殘余奧氏體時發(fā)生收縮，而且有多少殘余奧氏體就產(chǎn)生多少收縮。進行回火時，一般是收縮，但顯示二次回火硬化的合金鋼則為膨脹。另外，進行冷處理時殘余奧氏體的馬氏體化發(fā)生膨脹從而引起尺寸變化，這些組織的比容隨著含碳量的增加而增加，含碳量越多，尺寸變化也越大。

圖1 淬火變形說明圖Figure 1 Illustration of quenching deformation

1.2 材質(zhì)

由淬火引起的尺寸變化(廣義為淬火應(yīng)變)隨鋼的材質(zhì)不同而異，圖2給出了水淬和油淬所引起的尺寸變化與材質(zhì)化學(xué)成分之間的關(guān)系。由圖2可知，P、Mo、Cr、C和Mn對尺寸變化影響很大，而Si和Ni對尺寸變化影響較小，量具刃具鋼SKS3和SKS31(W-Gr-Mn工具鋼)是淬火變形小的鋼，甚至被稱為是不發(fā)生淬火應(yīng)變的鋼。其次鋼的塑性流線對淬火尺寸變化有很大影響，沿著塑性流線的方向，即在縱向上尺寸變化大；與縱向垂直的方向，即橫向上尺寸變化小。因此取材時必須注意與其塑性流線方向一致。另外，碳化物的線狀偏析對尺寸變化也有影響。

(a)水淬

(b)油淬圖2 化學(xué)成分與尺寸變化的關(guān)系Figure 2 Relationship between chemical composition and size change

1.3 淬火

1.3.1 僅有組織變化引起的尺寸變化

鋼件進行淬火時，有各種組織變化，這些組織變化引起尺寸變化，即從奧氏體組織轉(zhuǎn)化為馬氏體組織(完全淬火)時零件的尺寸變化(膨脹)最大；當奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w組織時，尺寸變化約為上述的1/3；當其轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織(退火)時約為上述的1/4。還有，由馬氏體化而產(chǎn)生的膨脹隨鋼的含碳量的增加而增大。

1.3.2 殘余奧氏體的影響

由于淬火的作用，哪怕有少量奧氏體殘留下來，也會相應(yīng)地減少由膨脹所致的尺寸變化。因此，少量殘余奧氏體的存在導(dǎo)致尺寸改變的減少，然而殘余奧氏體的存在會使淬火硬度降低，在常溫中放置會發(fā)生時效變形。

1.3.3 未固溶碳化物的影響

在淬火加熱時，碳化物固溶于奧氏體中越少，換而言之，殘余碳化物越多，尺寸變化就越小。殘余碳化物本身如形態(tài)、種類的變化不引起體積變化，所以與尺寸變化毫無關(guān)系。

1.3.4 冷處理的影響

施行冷處理時，殘余奧氏體減少，馬氏體增多，所以產(chǎn)生膨脹性尺寸變化。

1.4 回火

1.4.1 馬氏體的分解

回火引起的馬氏體分解，是造成收縮性尺寸變化的原因。該尺寸變化量隨馬氏體的含碳量而變化，馬氏體的含碳量越高，尺寸變化越大。但是若以淬火前的狀態(tài)為基準，經(jīng)過淬火、回火后的綜合尺寸變化最終仍然是膨脹性的。

1.4.2 未固溶碳化合物的影響

如有未固溶碳化合物的話，馬氏體的含碳量減少，且碳化合物本身對尺寸變化無影響，所以回火第一階段(200℃以下的回火)的尺寸變化是收縮性的。

1.4.3 殘余奧氏體的影響

如有殘余奧氏體存在，回火引起的尺寸變化小。當回火溫度在200℃以上，殘余奧氏體向貝氏體轉(zhuǎn)化，造成膨脹性的尺寸變化。因此，回火初期(200℃以下)殘余奧氏體使尺寸收縮。在該溫度以上，提高回火溫度，殘余奧氏體的分解會造成膨脹性的尺寸變化。

1.5 合金鋼

合金鋼內(nèi)的碳化物中往往固溶特殊元素，但其比容可以說幾乎不變。因此，對待合金鋼的方法與上述想法相同。只不過殘余奧氏體的量是按合金元素的種類和量的不同而變化的；還有碳化物的量也在變化，所以必須考慮尺寸變化。

2 如何減少尺寸變化

尺寸變化是淬火和回火后組織變化而引起的現(xiàn)象，因此完全消除尺寸變化是不可能的，只有依靠熱處理方法減小它。

(1)膨脹是馬氏體引起的，收縮是殘余奧氏體引起的，所以要減少馬氏體的量和固溶于馬氏體的含碳量，還應(yīng)使殘余奧氏體的量增多，但是必須注意，殘余奧氏體增多，會導(dǎo)致時效變形。

(2)使未固溶碳化物(殘余碳化物)增多。

(3)用馬氏體以外的其它組織使鋼硬化，其中最好是利用貝氏體組織。50%的貝氏體加50%的馬氏體組織的鋼的尺寸變化較小。

(4)應(yīng)進行回火處理。

3 結(jié)語

綜上所述，做好淬火應(yīng)變的原因分析，做好相應(yīng)的應(yīng)對措施，對控制尺寸及形狀變形至關(guān)重要。