热处理的基础知识
3、淬火（QuenchingorHardening）
①马氏体转变
所谓淬火是指把钢加热到奥氏体化后，以不发生不完全淬火组织的冷却速度（大于临界冷却速度）快速冷却使其进行马氏体转变的热处理工艺，马氏体转变开始温度（M5）和马氏体转变终了温度（Mf）取决于钢的化学成份，尤其是含碳量。此含碳量是淬火前奥氏体中固溶的碳的含量。含碳量和Mn、Cr、Ni等合金元素越多，Ms值越低。Ms值与合金元素的关系一般表示为:
Ms(%)=-×ω(C)-40×ω(Mn)-35×ω(V)-20×ω(Cr)-17×ω(Ni)-10×ω(Cu)-10×ω(Mo)-5×ω(ω)+15×ω(Co)+30×ω(Al)
对于在奥氏体状态没有残留碳化物的亚共析钢来说，可以直接将成份代入此式计算Ms值。而对于有未溶的残留碳化物的过共析钢来说，则需将剔除碳化物部分后的奥氏体的成分代入计算。
马氏体转变在瞬间完成，不是靠碳和合金元素的扩散形成，而是沿一定结晶面的晶格移动及双晶变形所致，即是位错运动的结果。马氏体的晶体结构为体心正方晶格，原体心立方晶格的C轴方向被碳原子占据，由此形成微观畸变而产生硬化效果。因此，随着含碳量的增加，淬火硬度会上升。不过，根据图1-3所示的含碳量与淬火硬度的关系，在ω(C)＜0.6%时，硬度会随着含碳量的升高上升到65HRC；但超过该质量分数后，即使增加含碳量，硬度也不再升高。马氏体转变时有这样的特点：在铁素体的体心立方晶格的某一方向出现伸长，膨胀成体心正方晶格。所以，实际淬火时要注意，会出现比退火状态膨胀的现象。
图1-3淬火硬度与碳的质量分数的关系
②残留奥氏体
像工模具钢之类的高碳钢，即使淬火也不会完全转变为马氏体，因为马氏体转变终了温度Mf线多在常温之下，所以淬火状态的奥氏体会残留下来，称为残留奥氏体（RetainedAustenite）。C及NI、Mn、Cr等合金元素的含量越高，残留奥氏体的量也会越多。钢种不同，奥氏体的残留量及回火分解过程也不同，当淬火温度适宜时，SKS3系钢、SKD11钢及SKH51钢的残留奥氏体量分别为15%(体积分数)、20%-25%(体积分数)及25%-30%（体积分数）。低合金工具钢的残留奥氏体分解温度较低，而高合金工具钢在℃以上才发生分解。自古以来，对残留奥氏体的功过论说不一，当其含量增多时，会有降低硬度和弹性极限的问题，不过也有提高韧性的作用。
③淬火温度与保温时间
前面介绍了淬火时奥氏体的组成十分重要。接下来介绍一下与其相关的淬火温度和保温时间的影响。首先，各种工模具钢的适宜淬火温度范围有所不同。如图1-4所示。
图1-4冷作模具钢的淬火温度与硬度的关系
奥氏体的组成取决于退火状态下碳化物向奥氏体中固溶的程度，即温度和时间的组合。这一关系与后述的回火参数同样，一般来说可用下式表示。其中的常数因钢种而异，温度的影响较大，时间呈对数关系。P=T（C+let）×10-3，
式中：T——奥氏体化温度（热力学温度）
t——保温时间
C——取决于含碳量的常数
淬火温度升高或奥氏体化时间延长，都会促进碳化物固溶而使含碳量增加，硬度也随之升高。另一方面，硬度又会因残留奥氏体的增加而降低。冷作模具钢SKD11在℃的奥氏体保温时间和硬度的关系如图1-5所示。在10min时硬度出现最高值，其后随残留奥氏体量的增加硬度反而下降。SKD11钢的适宜保温时间是20-40min.
图1-5奥氏体化保温时间和硬度的关系
通常所说的“保温时间为30min/厚度25mm”是指炉温达到设定温度后，直至模具心部升至相同温度的时间。实际上，关键是要考虑模具材料均匀达到淬火温度之后的保温时间。
图1-6所示，为淬火时的显微组织变化。由于退火状态的组织中分布的碳化物固溶于基体之中，所以碳化物含量降低（剩余碳化物称为未溶解碳化物）而基体中的碳和合金元素的含量增加。
图1-7所示，为SKD11钢的基体组成与淬火温度的关系。随着淬火温度的上升，基体中的C、Cr、Mo等含量也上升。
图1-6淬火时的显微组织变化
图1-7SKD11的基体组成与淬火温度的关系
④淬透性
加热（奥氏体化或达到淬火温度）后进行淬火时，冷却也极为重要。常言道“淬火就是快冷”，这是针对钢种的淬透性，用不出现铁素体、珠光体和贝氏体等马氏体以外的不完全淬火组织的冷却速度衡量。钢种不同，所需冷却速度也不同，碳素工模具钢要用水冷，低合金工模具钢要用油冷，而一些冷作模具钢及热作模具钢采用空冷即可达到淬火状态。
如图1-8所示，将几种具有代表性的工模具钢的连续冷却转变图的相变区域汇总在一起，由于实际的淬火并非等速冷却，所以不会与此连续冷却转变图完全吻合。不过，如果知道模具的实际冷却速度，可以预测其相变行为。
图1-8连续冷却转变图
⑤淬火方式
当实际进行模具热处理时，淬火过程并不只是单一的方式，而往往采用不同方式的组合。其目的是既要快速冷却又要防止开裂。较大的模具冷却时，会因模具表面和内部存在温差而产生热应力，还会因相变的不同时而产生相变应力。这两种应力相叠加形成的拉应力，易使尖角形状的部位发生开裂。图1-9所示，为限时淬火和分级淬火。所谓限时淬火（TimeQuenching）是从奥氏体状态冷却时，为了不进入珠光体转变区而快冷（比如油冷）之后，在马氏体转变开始点以上取出，令其在Ms点以下的易淬裂区域进行空冷的方法。尽量使模具内外的温度达到均匀的情况下进行转变，以防止开裂。
分级淬火（Marquenching）是从奥氏体化状态快冷后，在等温转变图的稳定区域保温，将工件内外温差降至比限时淬火还小，然后再次快冷至马氏体转变区域的方法，这种方法即可抑制模具变形，又可使马氏体转变平稳进行，适用于形状不均匀、厚度差较大的模具的热处理。中间保温一般用盐浴，最近随着真空炉温度控制技术的进步，有时也利用真空炉进行。
图1-9限时淬火和分级淬火
⑥深冷处理
前面已谈到，淬火转变时，除了马氏体以外还会残留未转变的奥氏体。残留奥氏体质地较软，含量过多时则影响淬火硬度。另外，残留奥氏体的组织结构不稳定，即使在常温也会发生缓慢转变，从而引起尺寸变化，因此，对要求精度为微米级的模具和零部件，需使残留奥氏体完全分解或令其稳定化，不过，适量的残留奥氏体也有提高韧性的作用。
使残留奥氏体发生分解的方法有两种，一种是高温回火，另一种是深冷处理。有些钢钟在高温回火后硬度过低，因而需采用深冷处理，深冷处理（Sub-Zero）是将工件淬火后再冷却到0℃以下进一步分解残留奥氏体的方法，例如，用酒精和干冰可达-76℃的冷却气氛，用液氮可达-℃的冷却气氛。通常淬火后如直接放入冷却槽，则容易出现开裂，所以应在℃左右（热水槽）进行假性回火之后再放入冷处理槽中，在此过程完成之后进行常规回火即可。
（未完待续，分期讲述）
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