影響熱處理硬度的因素及防止措施

1.1 碳含量     

     淬硬性是以鋼在理想條件下淬火能達(dá)到的最高硬度來表征的材料特性，是表示鋼淬火后獲得硬度高低的能力，而決定鋼淬硬性的主要因素是鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。碳含量越高，鋼的淬硬性越高。我們所用鋼材大部分為外進(jìn)材料，廠家不同，批次不同，鋼材的碳含量也不同。另外鋼材化學(xué)成分國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)碳含量的范圍要求較寬松，例如常見合金鋼27SiMn含碳量在0.24%~0.32% 之間，上下線之間差距0.08%，直接影響了不同碳含量鋼材的淬硬性。

1.2 其他元素     

      為了獲得或提高碳鋼的某些性能而在冶煉時(shí)特意加入碳鋼中的元素稱為合金元素。但是，由于原料、冶煉方法及工藝操作等問題的影響，總有少量硫、磷，硅、錳等元素殘留下來，這些稱之為雜質(zhì)元素。雜質(zhì)元素一般會(huì)對(duì)鋼的性能有不利影響，合金元素則會(huì)改善鋼的性能。

（1）雜質(zhì)元素的影響

錳：錳具有較強(qiáng)的脫氧能力，可消除鋼中氧化鐵夾雜物，降低鋼的脆性。錳在鋼中能溶解于鐵素體中，起到強(qiáng)化鋼的作用。因此，錳在鋼中是一種有益元素。

硅：硅比錳有較強(qiáng)的脫氧能力，使鐵素體強(qiáng)化，提高鋼的強(qiáng)度和硬度，但同時(shí)也降低了鋼的塑性和韌性，總體而言，硅還是有益元素。

硫：硫不溶于鐵，常以硫化鐵形式存在奧氏體晶界上，熔點(diǎn)低，易導(dǎo)致鋼的熱脆性，因此硫是有害元素，含量要嚴(yán)格控制。

磷：磷能溶入鐵素體中產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，使鋼的強(qiáng)度、硬度顯著提高，但塑性、韌性卻急劇下降，尤其是鋼的低溫脆性（冷脆）更大，因此磷是有害元素，含量要嚴(yán)格控制。

（2）合金元素的影響   

     幾乎所有合金元素均能不同程度地溶于鐵素體、奧氏體中形成固溶體，使鋼的強(qiáng)度、硬度提高，但塑性、韌性卻有所下降。其中Si、Mn、Ni 等元素的強(qiáng)化效果顯著；Ni、Cr、Mn 等元素在少量加入時(shí)不僅能強(qiáng)化材料，還能使鋼保持好的韌性。   

     Ti、Mo、Cr、Mn、W、V等元素在鋼中能與碳結(jié)合形成碳化物，這些碳化物一般都有高的硬度、高熔點(diǎn)和穩(wěn)定性，當(dāng)均勻彌散分布時(shí)，顯著提高鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性。

1.3 組織晶粒     

      原材料出現(xiàn)組織嚴(yán)重不均勻，部分晶粒過于粗大，會(huì)直接影響淬火后硬度的均勻性或材料的淬透性，造成硬度不均勻。

1.4 脫碳層     

     原材料、鑄、鍛件表面出現(xiàn)脫碳層或是有氧化皮、銹斑等，造成表面脫碳，淬火后會(huì)出現(xiàn)表面硬度不均勻。尤其鍛件容易出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象。

      淬火加熱溫度低或保溫時(shí)間短，爐溫分布不均、爐內(nèi)溫差大、零件相互接觸影響了熱量傳遞的速度等，造成零件的加熱不均勻，奧氏體成分不均勻，碳化物溶解不充分，或者亞共析鋼中鐵素體未全部溶入奧氏體中，都可造成表面硬度的不均勻。常見鋼材淬火加熱溫度見表1。   

      40CrNiMo在最初確定淬火溫度時(shí)經(jīng)歷幾次試驗(yàn)才最終確定下來，初查《熱處理手冊(cè)》空氣爐淬火溫度為850~870℃，油冷。試驗(yàn)后不同溫度下淬火硬度如下表1。

     850℃、860℃淬火后的硬度低，未完成馬氏體轉(zhuǎn)變，870℃淬火后硬度符合馬氏體轉(zhuǎn)變后的硬度，所以確定40CrNiMo淬火溫度為870℃。

      淬火冷卻介質(zhì)及冷卻方式。淬火冷卻介質(zhì)的選擇不當(dāng)或冷卻介質(zhì)溫度過高，零件在淬火冷卻時(shí)速度未超過臨界冷卻速度，冷卻不充分。缸類零件在冷卻介質(zhì)中未作平穩(wěn)的上下作用運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致缸管中間溫度高，外面溫度低，冷卻不均勻，或是淬火時(shí)零件出現(xiàn)堆積現(xiàn)象。冷卻介質(zhì)中存在雜質(zhì)，零件表面存在氣泡等附著物或在介質(zhì)中形成蒸汽膜而未充分運(yùn)動(dòng)或冷卻介質(zhì)未進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)，冷卻介質(zhì)性能下降，淬火后零件表面硬度不均勻。對(duì)于雙液淬火，嚴(yán)格控制進(jìn)入第一種淬火介質(zhì)的時(shí)間，冷卻時(shí)間按有效厚度3～5mm/s 計(jì)算，視材質(zhì)、形狀、尺寸而調(diào)整。常見鋼材淬火冷卻介質(zhì)見表2。

     零件在加熱過程中執(zhí)行了錯(cuò)誤的工藝或加熱質(zhì)量差是造成硬度不合格的重要原因。每種材質(zhì)的淬火溫度都不相同（常見鋼材淬火溫度見表1），沒有在要求的淬火溫度內(nèi)進(jìn)行正常的熱處理，或者保溫時(shí)間不足或過長(zhǎng)，都有可能造成零件的欠熱、過熱、過燒、氧化、脫碳及變形、開裂等問題，最終導(dǎo)致淬火硬度不合格，甚至報(bào)廢（如過燒，變形，開裂等）。

3.1 回火溫度的影響

     正常的回火溫度是根據(jù)淬火后零件的硬度和零件的設(shè)計(jì)要求制定的。如果回火溫度高于正常要求的溫度，會(huì)造成馬氏體的分解而降低硬度。如果回火溫度低于正常要求的溫度，淬火馬氏體未完全轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鸾M織，則會(huì)造成硬度超高。另外，對(duì)含有強(qiáng)碳化物形成元素的鋼，當(dāng)500~600℃回火時(shí)，馬氏體中析出細(xì)小彌散分布的合金碳化物，使鋼的硬度不降反升，這種現(xiàn)象稱為二次硬化。零件在二次硬化區(qū)進(jìn)行回火，勢(shì)必造成硬度的提高，因此要避開此溫度回火。常見鋼材回火溫度見表3。

3.2 回火時(shí)間的影響

     當(dāng)回火時(shí)間過短，淬火馬氏體未完全轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鸾M織，組織中存在殘余馬氏體，造成硬度偏高。

3.3 回火脆性的影響

     雖然脆性和硬度不是正相關(guān)的關(guān)系，但是，通常情況下，硬度高，脆性大。鋼在回火過程中，可能發(fā)生兩種類型的脆性：一種是碳鋼和合金鋼在200~400℃范圍內(nèi)回火時(shí)出現(xiàn)，時(shí)間越長(zhǎng)越明顯，這類回火脆性即使回火快冷或重新回火都無法避免，稱為第一類回火脆性，也稱不可逆回火脆性。它與材質(zhì)有關(guān)，因此在材料選擇上要認(rèn)真考慮。

      另一種是某些合金鋼在450~550℃溫度區(qū)間加熱回火或是高于600℃回火后在450~550℃溫度內(nèi)緩慢冷卻而出現(xiàn)的回火脆性。它與冷卻速度有關(guān)，重新加熱到600℃以上后快速冷卻即可消除，稱為第二類回火脆性，也稱可逆回火脆性。因此，在選擇回火冷卻介質(zhì)時(shí)，要充分考慮是否會(huì)出現(xiàn)第二類回火脆性，如果會(huì)，回火時(shí)要選擇快速冷卻方法，如水冷。常見鋼材回火冷卻介質(zhì)見表3。

     通過分析熱處理前后可能出現(xiàn)的導(dǎo)致硬度不合格的原因，總結(jié)出以下幾方面來避免硬度不合格，或是硬度不合格后改正的方法。

     事先檢查原材料的組織缺陷，對(duì)出現(xiàn)質(zhì)量問題的材料采取措施加以消除，如進(jìn)行預(yù)先熱處理，退火等方法。

      對(duì)原材料存在脫碳層、氧化皮、銹斑等情況，應(yīng)加工除掉后才能進(jìn)行熱處理。如果條件允許，可以在零件的加熱過程中，選用合理的熱處理設(shè)備和加熱介質(zhì)，如可控氣氛爐、鹽浴爐、流動(dòng)粒子爐或真空爐等，避免在加熱時(shí)出現(xiàn)表面氧化和脫碳。

      編制合理熱處理工藝，確定合理的裝爐量、裝爐方式、冷卻介質(zhì)。淬火時(shí)，工件在淬火溫度下入爐，保證合理的加熱溫度和加熱時(shí)間，使組織完全轉(zhuǎn)變?yōu)槌煞志鶆虻膴W氏體。

      回火時(shí)，選定合理的回火溫度和回火時(shí)間，使組織完全轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鸾M織。對(duì)于雙液淬火，嚴(yán)格控制進(jìn)入第一種淬火介質(zhì)的時(shí)間，避免淬火硬度過高或發(fā)生變形、開裂。

      對(duì)于截面懸殊大和比較薄的工件，有缺口和棱角的工件應(yīng)進(jìn)行合理的加熱和冷卻保護(hù)。形狀復(fù)雜的零件，有不需淬火的孔眼，尖角以及厚度變化很大時(shí)，為防止變形和開裂，可堵塞石棉繩和耐火泥或采用專用工具加以保護(hù)。工件在冷卻介質(zhì)中做平穩(wěn)的上下運(yùn)動(dòng)，減少零件間的疊加，零件在熱處理前避免加工成封閉的形狀。

       冷卻介質(zhì)溫度要保證在合理的范圍內(nèi)，水溫保持在20~40℃，油溫≤ 70℃，對(duì)冷卻介質(zhì)進(jìn)行良好的攪拌或補(bǔ)充，確保冷卻的均勻一致，消除硬度不均現(xiàn)象。

      零件加熱過程中，多關(guān)注設(shè)備供電狀況及儀器儀表是否出現(xiàn)故障或失靈，避免因設(shè)備故障造成熱處理不合格。

      對(duì)回火后硬度偏高的零件可以適當(dāng)提高回火溫度，重新回火；對(duì)硬度偏低的零件則要重新淬火處理。對(duì)偏離硬度要求較大的零件則要考慮工藝溫度之外的影響因素，改用其他處理方法，或報(bào)廢。

      當(dāng)硬度出現(xiàn)大范圍不合格時(shí)，考慮硬度計(jì)是否為正常狀態(tài)，取試塊校驗(yàn)硬度計(jì)，如壓頭有損壞或變形，應(yīng)及時(shí)更換壓頭。