淬透性在熱處理實(shí)踐中的應(yīng)用

王陸軍，查建軍，朱建新，楊晶晶

(坤泰車輛系統(tǒng)(常州)有限公司，江蘇 常州 213011)

1 淬透性基本概念

材料淬透性在很多材料熱處理文獻(xiàn)中的定義大同小異卻不太清晰，在實(shí)際工作中理解也可能各不相同。國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 7232—2012金屬熱處理工藝術(shù)語》中5.淬火類5.40條款中定義如下：淬透性(Hardenability)以在規(guī)定條件下鋼試樣淬硬深度和硬度分布表征的材料特性。結(jié)合該標(biāo)準(zhǔn)中與淬透性相關(guān)的5.39至5.49條款其它10條術(shù)語定義，可以完整準(zhǔn)確地理解淬透性的概念。

淬透性是材料的內(nèi)在特性，只取決于材料自身內(nèi)在因素的特性而不取決于外部因素，表示鋼淬透的難易程度，通常利用淬火深度來比較[1]。淬火深度既取決于內(nèi)在因素：奧氏體的組成、奧氏體的晶粒度和固溶于或不溶于奧氏體中的碳化物顆粒的數(shù)量、性質(zhì)和分布等；淬火深度也取決于外部因素：試樣的形狀尺寸、表面狀況、淬火介質(zhì)的冷卻能力和其他因素。淬透性是材料的一個(gè)潛在特質(zhì)，要將其呈現(xiàn)成出來還需要一些“規(guī)定條件”，如端淬試驗(yàn)中規(guī)定的全部條件，首先要奧氏體化，然后在規(guī)定條件下進(jìn)行冷卻[8]。淬透性是材料內(nèi)部的特性，鋼材在軋制、鍛造、機(jī)加工、正火和淬火等不同加工狀態(tài)下表現(xiàn)出來的性能大不相同，只有在淬火而且是規(guī)定條件下即端淬試驗(yàn)規(guī)定的淬火前的熱處理狀態(tài)、端淬試驗(yàn)的試樣大小要求和端淬工藝條件要求滿足時(shí)，鋼試樣淬火表現(xiàn)出來的淬硬深度和硬度分布才是淬透性的量化表征?！洞阃感詼y定方法與應(yīng)用》介紹了針對不同淬透性鋼的18種試驗(yàn)方法，分別有不同的試樣制作方法、介質(zhì)要求和判據(jù)方法。淬透性表示方法除淬透性圖表(淬透性曲線或淬透性帶)外，也可用5種淬透性指數(shù)中的任一種表示。

2 淬透性的本質(zhì)

淬透性是鋼材的一種淬火能力，量化表征是用淬透性帶來表示，帶寬是由于材料化學(xué)成分波動(dòng)和晶粒度的差異影響造成的。根據(jù)化學(xué)成分中的含碳量及合金元素的含量和晶粒度級別，理論上可以計(jì)算出材料淬透性。淬透性的測量根據(jù)鋼種類的不同采用不同的方法，淬火硬度與棒料直徑U曲線和端淬試驗(yàn)是滲碳鋼適用性最普遍的測量方法。圖1是42CrMo鋼的淬透性帶，圖中豎線對應(yīng)上半部分?jǐn)?shù)字表示不同棒料直徑在不同淬火條件時(shí)，與橫坐標(biāo)表示端淬試驗(yàn)距水冷端相應(yīng)位置的冷卻速度相等，能夠得到相同比例的淬火馬氏體組織，因而得到相同的淬火硬度值，硬度值的范圍介于圖1淬透性曲線上下限2個(gè)交點(diǎn)之間。例如，J9位置可以直接讀出：1)棒料直徑74 mm距離水淬中心3R/4處的硬度；2)棒料直徑41 mm距離水淬中心的硬度；3)棒料直徑64 mm距離油淬表面的硬度；4)棒料直徑41 mm距離油淬中心3R/4處的硬度；5)棒料直徑25 mm距離油淬中心的硬度；6)至水冷端距離9 mm處的硬度，硬度范圍均為51～59 HRC。如J5位置硬度數(shù)據(jù)用內(nèi)插法在J3和J6之間的靠近J6的1/3處進(jìn)行估算。

圖1 42CrMo鋼的淬透性帶Fig.1 Hardenability band of 42CrMo steel

鋼的淬透性是含碳量、其他合金元素以及奧氏體晶粒度的一個(gè)函數(shù)，各種合金元素的相對重要性和影響是通過確定鋼的碳當(dāng)量來計(jì)算的，表1和圖2清楚地表示了這種影響關(guān)系[2]。格羅斯曼淬透性系數(shù)在很長一段時(shí)間內(nèi)都作為實(shí)際操作的標(biāo)準(zhǔn)，隨后Kirkaldy消除了格羅斯曼模型的幾個(gè)缺點(diǎn)，并且到目前這止，仍作為淬透性模型進(jìn)行比較的基準(zhǔn)。 Li、Malikizadi Just，Siebert，Sarmiento，Brooks和Dobranski分別運(yùn)用有限元分析(FEA)技術(shù)、多元回歸分析、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬等方法作出了不同的優(yōu)化改進(jìn)來預(yù)測淬透性?？ㄌ乇死沾阃感杂?jì)算器(1E0024)是一款個(gè)人計(jì)算機(jī)程序，可以根據(jù)鋼的化學(xué)成分自動(dòng)計(jì)算末端淬透性曲線。

表1 鋼的基本臨界直徑和淬透性系數(shù)Table 1 The basic critical diameter and hardenability coefficient of steel

圖2 鋼的淬透性系數(shù)Fig.2 The hardenability coefficient of steel

1986年在德國鋼鐵聯(lián)合會(huì)鋼鐵研究所建立了一個(gè)由四家德國廠商組成的工作小組，研究基于化學(xué)成分計(jì)算淬透性的方法，采用由末端淬火試驗(yàn)(按照ISO642)的硬度測量值(HRC)和爐號的化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)庫的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸而得出SEP 1664 table3計(jì)算方程公式:

Jd=函數(shù)(化學(xué)成分)=常數(shù)K+a1×ω(C%)+
a2×ω(Si%)+a3×ω(Mn%)……

式中：常數(shù)K和a1，a2，a3……見SEP 1664 table3。

表2 SEP 1664 table3 端淬值計(jì)算方程常數(shù)和各合金元素在不同位置的系數(shù)Table 2 End quenching values calculate equation constants and coefficients of each alloy element at different positions in SEP 1664 table3

3 臨界直徑

格羅斯曼于1942年發(fā)表了根據(jù)鋼的化學(xué)成分和晶粒度來計(jì)算鋼的淬透性方法，迄今為止沒有一種預(yù)測方法可適用于所有類型的鋼，也就是說不同的預(yù)測方法適用于相應(yīng)的合金系統(tǒng)，適用不同范圍含碳量和淬透性水平。另外通常需要根據(jù)鋼鐵冶金殘留物、熔融金屬過程等對預(yù)測值進(jìn)行微調(diào)。

理想臨界直徑的計(jì)算公式：

DI=DIbase×fMn×fSi×fCr×fMo×fV×fCu

(1)

圖3為鋼晶粒度對應(yīng)的基本臨界直徑。從圖3中可以看出：相同化學(xué)成分時(shí)，晶粒度6級以上的臨界直徑差別不大，也可以說晶粒度6級以上時(shí)，提高晶粒度對臨界直徑的影響很小。

圖3 鋼晶粒度對應(yīng)的基本臨界直徑Fig.3 Basic critical diameter corresponding to the grain size of steel

鋼材的質(zhì)量大小(重量)對熱處理結(jié)果也有很大的影響，這種熱處理效果由質(zhì)量大小(重量)而按比例變化的現(xiàn)象就是質(zhì)量效應(yīng)。淬透深度由鋼本身的性質(zhì)決定時(shí)屬于淬透性，淬透深度由工件的大小尺寸決定時(shí)屬于質(zhì)量效應(yīng)。在實(shí)際中求質(zhì)量效應(yīng)時(shí)，早期是將不同直徑的圓棒淬火后，取橫向截面，實(shí)測其截面硬度，作出硬度與直徑的U形曲線，因過于費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不太適用?，F(xiàn)在只需了解鋼的端淬曲線，如圖4結(jié)合圓棒橫截面上各處冷卻速度對應(yīng)于至試樣水冷端距離的關(guān)系，就能求出鋼材任意直徑圓棒的橫截面上的硬度分布(硬度與直徑U曲線)。

圖4 臨界直徑冷卻速度與末端淬火位置的對應(yīng)關(guān)系Fig.4 The correspondence between the critical diameter cooling velocity and the terminal quenching position

4 淬火

熱處理整體淬火、感應(yīng)淬火要求零件內(nèi)外的淬透性一致，由于內(nèi)外冷卻速度存在差異，從而表現(xiàn)出淬硬性不同[4]。淬透性值量化求法有：1)格羅斯曼理想臨界直徑計(jì)算公式； 2)根據(jù)端淬曲線；3)淬火特性曲線；4)臨界直徑和冷卻強(qiáng)度H；5)馬氏體量。圖5表明指定位置的淬火硬度取決于材料的淬透性和外部條件的共同作用，也就是指定位置的實(shí)際冷卻速度與材料理論臨界冷卻速度的比較。當(dāng)實(shí)際冷卻速度接近或者大于材料理論臨界冷卻速度時(shí)，幾乎可以得到95%以上淬火馬氏體組織而淬硬；而實(shí)際冷卻速度小于材料理論臨界冷卻速度時(shí)，得到馬氏體淬火組織含量減少，而得不到該淬透性材料的應(yīng)有硬度。如果實(shí)際冷卻速度與材料理論臨界冷卻速度不匹配，需要從提高實(shí)際冷卻速度方面考慮，比如更換冷卻速度更快的淬火介質(zhì)、提高攪拌速度和減少裝爐量等；如果實(shí)際冷卻速度已經(jīng)接近或者大于材料理論臨界冷卻速度，而仍達(dá)不到應(yīng)有的硬度，應(yīng)從提高材料的淬透性方面入手。

圖5 鋼的淬透性與指定位置淬火硬度的關(guān)聯(lián)性Fig.5 Correlation of the hardenability of steel and the quenching hardness at specified position

包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院王書田教授認(rèn)為淬透性是材料本身的固有屬性，而實(shí)際工作中端淬試驗(yàn)值表征淬透性值的量化數(shù)據(jù)是淬透性的一個(gè)近似結(jié)果。這種觀點(diǎn)有利于從學(xué)術(shù)上澄清人們的模糊認(rèn)識。實(shí)際上淬透性是一種淬火能力，有不同的表達(dá)方式，沒有量綱單位，比如端淬試驗(yàn)值J3=39 HRC簡化表示只能寫成39 HRC/3 mm，不能寫成J=39 HRC/3 mm或13 HRC/mm，這是用數(shù)學(xué)語言來認(rèn)識淬透性基本概念與端淬試驗(yàn)值的區(qū)別?；谶@種認(rèn)識，用抽象的數(shù)學(xué)語言來表示一種化學(xué)成分確定的鋼存在著一個(gè)明確的開區(qū)間值域(a，b)，當(dāng)a>b，約束變量X只能夠在這個(gè)范圍取值，其中a是淬透性，約束變量X是實(shí)際淬透層深度或淬硬值。當(dāng)某種鋼的值域已經(jīng)不能夠滿足要求，必須更換能夠滿足值域要求的鋼種，而不是改變約束變量X值。這種觀點(diǎn)具有理論自洽性，因?yàn)樵趯?shí)際工作中相同位置的淬火硬度X1可能高于端淬試驗(yàn)時(shí)的硬度值(或淬透性計(jì)算值)X0，即X1>X0。并不是因?yàn)橛捕葴y量誤差的原因，而是實(shí)際淬火時(shí)這個(gè)位置的冷卻速度可能高于端淬試驗(yàn)時(shí)的冷卻速度，也就是說端淬試驗(yàn)時(shí)這個(gè)位置并沒有把淬透性充分釋放出來，而在實(shí)際淬火中卻釋放得更充分，實(shí)際淬火比端淬時(shí)更完全。而把淬透性計(jì)算值(或端淬值)X0看成淬透性真值a，就不能解釋X1>X0 =a的情況，所以X0≠a。換言之，X1X0都是可能出現(xiàn)的，三種情況都正常合理，因?yàn)閄0也不是a，只能X≤a，不能X>a，這樣淬透性的定義在理論學(xué)術(shù)界從數(shù)學(xué)抽象上能夠更加明朗。

淬透性的定義是在規(guī)定條件下鋼試樣淬硬深度和硬度分布表征的材料特性，用淬透性曲線表示時(shí)，材料的淬透性是一條有不同帶寬的曲線帶而不是僅僅是一個(gè)點(diǎn)。工業(yè)實(shí)踐應(yīng)用中，把各種計(jì)算方程公式計(jì)算的數(shù)值結(jié)果和用端淬試驗(yàn)得出的一個(gè)數(shù)值結(jié)果作為淬透性，這是不太嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f法。

5 滲碳淬火

滲碳鋼高碳區(qū)域的淬透性對于控制滲碳和淬火工藝很重要，硬化層淬透性的測量是把一根標(biāo)準(zhǔn)的末端淬火試棒和對比試棒在925 ℃(1700 °F )溫度下同時(shí)滲碳，對比試棒作連續(xù)滲層剝層化學(xué)成分分析，繪制滲碳層曲線后便可確定端淬試棒上各種含碳量的深度。淬火試棒以常規(guī)方式端淬，在端淬試棒上各種化學(xué)成分(1.1% C,1.0% C,0.9% C,0.8% C…….)對應(yīng)的深度位置測量硬度，可以直接把含碳量和硬度值聯(lián)系起來。在同一張圖表中橫坐標(biāo)表示端淬距離，雙縱坐標(biāo)分別表示含碳量和硬度值，可以繪制出硬度梯度曲線和含碳量梯度曲線，兩種曲線形狀在理想淬火條件(淬冷烈度無限大∞)時(shí)是基本相似的，實(shí)際淬火條件下硬度梯度曲線是含碳量梯度曲線和質(zhì)量效應(yīng)的綜合表現(xiàn)[5]。從圖6中不同碳含量鋼的端淬曲線可以看出：隨至淬火端的距離增大，淬火硬度降低；隨含碳量升高，淬火硬度升高，有些鋼種在含碳量至1.0%左右會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)。圖7 表示滲碳淬火件表層與心部冷卻曲線，表層冷卻快和含碳量高使得表面硬度高，而中心位置含碳量低和冷卻速度慢使得心部硬度低。圖8表示奧氏體中含碳量和馬氏體轉(zhuǎn)變含量對淬火鋼硬度的影響，說明硬度高是由于馬氏體組織的高密度位錯(cuò)和柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)或弘律氣團(tuán)[7]。

圖6 端淬曲線Fig.6 The end quenched curve

圖7 滲碳淬火件表層冷卻曲線(Vs)與心部冷卻曲線(Vc)Fig.7 The surface cooling curve(Vs) and core cooling curve(Vc) of carburizing and quenching parts

6 具體應(yīng)用

以傳動(dòng)零件為例來說明熱處理工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中齒輪和齒輪軸預(yù)測齒根芯部硬度的方法[3]。為了實(shí)現(xiàn)這樣的預(yù)測，必須知道零件材料的精確末端淬火淬透性曲線，熱處理循環(huán)完成后，確認(rèn)負(fù)載內(nèi)特定部位的零件齒根芯部硬度值步驟如下：

圖8 奧氏體中含碳量和馬氏體含量對淬火鋼硬度的影響Fig.8 Effect of Austenite carbon content and and Martenite content on the hardness of quenched steel

1)端淬試驗(yàn)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的測試，根據(jù)DIN EN ISO642端淬曲線確定硬度分布，也可以根據(jù)化學(xué)成分計(jì)算出淬透性。

2)通過確定負(fù)載內(nèi)局部末端淬火值來預(yù)測相應(yīng)位置齒根芯部硬度，位置可以根據(jù)齒輪幾何圖形計(jì)算，也可以實(shí)際測量。當(dāng)芯部位置與端淬試驗(yàn)固定點(diǎn)位置不吻合時(shí)可以從端淬試驗(yàn)相鄰的兩點(diǎn)取值后用內(nèi)插法進(jìn)行計(jì)。

3)在給定類型的淬火室、零件幾何形狀、負(fù)載結(jié)構(gòu)和重量、過程參數(shù)(冷卻介質(zhì)、攪拌速度、氣壓、氣體流速等)的情況下，預(yù)測不同鋼種齒根芯部硬度，關(guān)鍵要能預(yù)測出零件的實(shí)際冷卻速度[6]。根據(jù)端淬對應(yīng)位置的淬透性數(shù)值和比較零件該位置實(shí)際冷卻速度與端淬對應(yīng)位置冷卻速度的匹配關(guān)系，大致可以預(yù)測出該位置淬火硬度值。這正是熱處理模擬軟件能夠模擬計(jì)算的理論基礎(chǔ)。

4)所有牌號鋼種化學(xué)成分都有一個(gè)范圍，相應(yīng)地淬透性也有一個(gè)分布帶寬。因而芯部硬度也是具有上限和下限的，有一定的分布范圍的區(qū)間。

5)滲碳鋼淬火以后高碳表層不可能得到100%馬氏體組織，必然會(huì)有一定量的殘留奧氏體，回火后組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，硬度也相應(yīng)地發(fā)生變化[9]。芯部組織淬火馬氏體低溫回火轉(zhuǎn)變成回火馬氏體，硬度有影響但變化不大。

分析芯部硬度試驗(yàn)值穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，根據(jù)芯部硬度值與淬透性帶曲線的關(guān)聯(lián)性，適度調(diào)整材料淬透性帶范圍，使芯部硬度值在淬透性帶全域范圍內(nèi)能夠滿足技術(shù)要求，或者需要調(diào)整芯部硬度技術(shù)要求。有效硬化層深度處的硬度(550 HV)滲碳后的含碳量大約為0.35%，3倍以上或者5倍以上有效硬化層深度處通常未滲碳，保持材料原始含碳量。端淬試驗(yàn)本質(zhì)上末端淬火值，描述的只是末端淬火探頭內(nèi)部的局部冷卻曲線，實(shí)際生產(chǎn)中的每個(gè)零件都有一條特定的冷卻曲線可用相應(yīng)的末端淬火值來描述?？梢哉J(rèn)為端淬曲線不同位置點(diǎn)的實(shí)際冷卻速度不同，造成淬火組織中馬氏體轉(zhuǎn)變含量不同，滲碳件由外層至內(nèi)部不同深度位置的含碳量也不相同。所以滲碳淬火件內(nèi)外差別有含碳量不同和冷卻速度不同雙重因素的綜合作用，造成表層更硬而心部韌性好，達(dá)到滲碳淬火件想要追求的表層高強(qiáng)高硬，心部強(qiáng)韌的整體效果，這正是大多數(shù)采用滲碳淬火零件需要滿足的性能。