金属模具材料淬火的新技术

　　

　　在长期的生产实践和科学实验中，人们对金属内部微观结构变化规律的认识不断加深，特别是自20世纪60年代以来，随着透射电子显微镜和电子衍射技术的应用以及各种测试技术的不断完善，在马氏体形态、亚结构及其与力学性能的关系、获得不同形态和亚结构马氏体的条件以及第二相形态、尺寸、数量和分布对力学性能的影响等方面取得了很大进展。

　　

　　(一)循环快速加热淬火

　　

　　调质钢的强度与奥氏体晶粒度有关。粒度越细，强度越高。因此，如何获得高于10级晶粒度的超细晶粒度是提高钢材强度的重要途径之一。α→γ→α相变再结晶后，钢的晶粒可以连续细化。提高加热速度和增加结晶中心也可以细化晶粒。循环快速加热淬火是根据这一原理获得超细晶粒的新技术。例如，45钢可在815℃的铅浴中加热淬火4-5次，可将奥氏体晶粒从6级细化到12-15级；另一个例子是20CrNi9Mo钢，用3000Hz和200kW中频感应加热装置以11℃/s的速度加热到760℃，然后用水淬火，使σs从960MN/m2增加到1215MN/m2，气体从1107MN/m2增加到1274MN/m2，延伸率保持在18%不变。

　　

　　（二）高温淬火

　　

　　与正常淬火温度相比，高温体系可以获得板条马氏体或增加板条马氏体的数量，从而获得良好的综合性能。

　　

　　奥氏体含碳量与马氏体形态关系的实验表明，所有含碳量小于0.3%的淬火钢都是板条马氏体。然而，普通低碳钢的淬透性非常差。为了获得马氏体，除了合金化以提高过冷奥氏体的稳定性外，只有提高奥氏体化温度和强化淬火冷却才能实现。例如，用16Mn钢制造五铧犁的犁臂，在10%的氢氧化钠水溶液中于940℃淬火，低温回火可获得良好的效果。

　　

　　中碳钢的奥氏体成分可通过高温淬火得到均匀化，并可获得更多的条状马氏体以提高其综合性能。例如，870℃淬火、200℃回火的AISl4340钢，σs为1621MN/m2，断裂韧性Kc为67.6MN/m，而在1200℃加热、预冷至870℃并在200℃回火时，σs为1586MN/m2，断裂韧性Kc为81.8Mn/m，与普通淬火相比，高温淬火的断裂韧性几乎提高了一倍。金相分析表明，高温淬火避免了片状马氏体(孪晶马氏体)的出现，获得了全部片状马氏体。此外，在马氏体板条外包裹一层厚度为100-200ppm的残余奥氏体，可以缓冲裂纹的应力集中，从而提高断裂韧性。

　　

　　(三)高碳钢的低温、快速和短时加热和淬火

　　

　　通常，高碳钢零件具有高强度，但在低温回火条件下具有低韧性和塑性。为了改善这些性能，目前已经采用了一些特殊的新工艺。

　　

　　高碳低合金钢加热迅速且时间短。因为高碳低合金钢的淬火温度通常仅略高于Ac1点，所以通过延长时间可以实现碳化物的溶解和奥氏体的均匀化。如果采用快速短时加热，奥氏体中碳含量低，韧性提高。如T10V钢凿岩机活塞在720℃预热16分钟，在850℃盐浴淬火8分钟，在220℃回火72分钟，使用寿命从500米提高到0米。如前所述，高合金工具钢的淬火温度通常远高于Ac1点。淬火温度降低，奥氏体中碳含量和合金元素含量降低，韧性提高。例如，用W18Cr4V高速钢作为象棋工具，在1190℃淬火，其强度和耐磨性比其他冷加工模具钢高，韧性也较好。

　　

　　（四)亚共析钢的亚温淬火

　　

　　亚共析钢在AC1和AC3温度之间的加热淬火称为亚温淬火，即在低于正常淬火温度的温度下淬火。其目的是提高冲击韧性，降低冷脆转变温度和回火脆性倾向。930℃淬火、650℃回火和800℃亚温淬火后，韧性随回火温度的升高单调增加，没有回火脆性。亚温淬火可以提高韧性，消除回火脆性的原因。有人认为这主要是由于残余的铁素体，它使脆性杂质原子磷，锑等。富含铁索体。有人研究了45、40Cr和60Si2钢直接亚温淬火(不作为中间处理的再加热淬火)时淬火温度对力学性能的影响，发现Ac1和Ac3之间的淬火温度对力学性能影响更大。在Ac3以下5~10℃淬火时，硬度、强度和冲击值达到更大值，略高于正常淬火。而当淬火温度略高于Ac1时，冲击值更低。认为这可能是由于淬火组织中存在大量铁素体和高碳马氏体所致。

　　

　　显然，亚温淬火对提高韧性和消除回火脆性具有特殊意义。它可以在预淬火后进行，也可以直接进行。实验数据不充分，关于淬火温度应该有多高的观点也不完全一致。但是，为了保证足够的强度并使残留的铁索体均匀细小，亚温淬火温度应略低于Ac1。

　　

　　等温淬火的发展

　　

　　近年来的大量实践证明，在相同的硬度或强度下，等温淬火的韧性和断裂韧性高于低温淬火和回火。因此，人们对如何获得下贝氏体组织进行了大量的研究，并开发了许多等温淬火方法，现简要介绍如下:

　　

　　1.预冷和等温淬火

　　

　　该方法采用两种不同温度的盐浴。工件加热后，先在较低温度的盐浴中冷却，然后转移到等温淬火槽中进行下贝氏体转变；拿出来，空气冷却。该方法适用于淬透性差或尺寸大的工件，采用低温盐浴预冷，提高冷却速度，避免高温冷却时部分珠光体或上贝氏体转变。例如，由(0.5~0.5)%C和0.5%Mn钢制成的3毫米厚的收割机刀片的硬度不能满足普通等温淬火的要求，但可以通过首先在250℃盐浴中冷却30秒，然后移动到320℃盐浴中30分钟来满足要求。

　　

　　⒉预淬火等温淬火

　　

　　将加热后的工件在低于Ms点的热浴中淬火，获得10%的马氏体，然后移入等温淬火槽中进行等温下贝氏体相变，取出空冷，然后根据性能要求进行适当的低温回火。当预淬火中获得的马氏体量小时，可能无法进行回火。

　　

　　在该方法中，通过利用通过预淬火获得的马氏体的催化作用，缩短了贝氏体等温转变所需的时间。因此，该方法适用于合金工具钢下贝氏体等温转变需要较长时间的情况。在等温转变过程中，通过预淬火获得的马氏体被回火。

　　

　　3.分级等温淬火

　　

　　在下贝氏体等温转变之前，一级(或二级)冷却过程在中温区进行。该工艺能降低热应力和组织应力，工件变形和开裂倾向小，同时能保持强度和塑性的良好结合，适用于高合金钢(如高速钢等)的热处理。)具有复杂形状的工具。

　　

　　(五）其他淬火方法

　　

　　此外，还有一种液氮淬火方法，即工件在-196℃直接淬火成液氮。由于液氮的汽化潜热很小，只有水的十分之一，工件淬火成液氮后立即被气体包围，没有普通淬火介质冷却的三个阶段，所以变形和开裂很少，冷却速度是水的五倍。液氮淬火可以使马氏体转变相当完全，残余奥氏体量很少，同时可以获得较高的硬度、耐磨性和尺寸稳定性。但是成本很高，只适用于形状复杂的零件。

　　

　　流化床淬火已被广泛应用。由于其冷却速度是可调的(相当于从空气到油的冷却能力)，而且表面没有形成蒸汽膜，工件冷却均匀，变形小。因为冷却速度可以在从空气冷却到油冷却的范围内调节，所以冷却过程可以由程序控制。它可以代替间断淬火和分级淬火工序，处理形状复杂、变形要求严格的重要零件和工具。