重磅!从金相组织转变角度解读淬火油的选用要求

热处理生态圈2020-11-09 09:10:20

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作者:王陆军,张民,罗屏,郭沿

单位:宁波上中下自动变速器有限公司

来源:《金属加工(热加工)》杂志



1.铁碳相图和等温冷却TTT曲线及连续冷却CCT曲线

金属材料热处理就是通过改变材料内部金相组织从而达到所需要的力学性能。金属材料的内部金相组织是由各种有序的晶体结构组成,不同结构的转变就是相变。依据严格的热力学的定义,凡第一级相变,自由能对温度和压力的第一导数是非连续的。如果相变前后的自由能及其第一导数都相等而自由能的第二导数有一突变点,则这一相变是第二级相变。热处理过程同样遵循物质不灭原理和质量守恒定律,发生的只是物理变化及化学变化。铁碳相图说明的是平衡状态下钢材的化学成分与温度及组织之间的关系,Fe-C相图在1904年由Carpenter和Keeling建立,经过近百年世界各国相图工作者不断的修正才成为今天我们看到的样子,经典铁碳平衡相图如图1所示。

γ/A:奥氏体区;α/F:铁素体区;L:液相区; Fe3C/Cm:渗碳体区;δ:固溶体区

图1 铁碳相图


根据铁碳平衡相图,可以归纳出不同含碳量的铁碳合金的平衡组成组分是什么状态,如图2所示。

图2 铁碳合金成分与组织组成物及相组成物的关系


TTT冷却曲线是极其缓慢冷却的,实际生产中平衡状态下的无限缓慢的冷却是很少见的,工业生产中应用更多的是连续冷却条件下CCT曲线。在这种连续冷却条件下,根据冷却速度的不同,可以得到不同的组织状态。如果说TTT冷却曲线能够说明同一个成分的铁碳合金以无限缓慢的冷却速度只能得到唯一的理想平衡状态组织,CCT冷却曲线则表明同一个化学成分的铁碳合金因冷却速度的不同还可以得到不同的相变组织。


如图3所示,该冷却曲线图较为复杂,包含的信息量很大。纵坐标表示温度,横坐标采用了不同的时间单位而且是不等距的。冷却速度采用了一种平均冷却速度的表述,组织组成物、最终组织的硬度都给出了数据化的定量描述,但这只是固定钢号特定试验条件下得到的实际值,仅供参考。

图3 亚共析钢冷却曲线


通常用图4这张简图定性说明,具体钢号具体试验条件下的组织组成物及含量,实际硬度值再由试验得到。

 

图4 共析钢连续冷却转变曲线与等温转变曲线的比较


从上面的连续冷却CCT曲线,我们还能够知道共析碳钢不同冷却条件下会得到什么样的金相组织,如图5所示。这正是需要我们从理论基础上去整体把握的内核,也是分析热处理实际问题的根本。

图5 共析碳钢不同冷却条件下的组织状态图


2.根据铁碳相图及冷却CCT 曲线提出对零件冷却速度的要求

通过铁碳相图和冷却CCT曲线的分析,我们应该已经知道钢材淬火时组织转变的规律。要得到淬火马氏体组织,理想的淬火冷却曲线应该是这样的:在开始马氏体转变温度之前,这时过冷奥氏体不要发生组织转变,零件以热应力为主,在变形允许的情况下,冷却速度尽量要快,迅速通过C曲线的鼻子,让过冷奥氏体不发生非马氏体转变(此处我们只讨论马氏体淬火,不讨论贝氏体等温淬火---在贝氏体转变温度区间保温等温淬火)。温度下降到接近马氏体开始转变温度(Ms)时,冷却速度要慢下来,因为马氏体转变是无扩散型,不需要孕育期,组织转变不同步时会产生组织应力。由于零件表面与心部冷却速度的差异及渗碳淬火件表面渗层与心部的含碳量不同引起的马氏体开始转变温度不同,造成零件表面与心部马氏体转变开始的时间与马氏体转变结束的时间都有一个时间差,当产生表面是拉应力心部是压应力时,零件极易产生变形甚至开裂。渗碳淬火零件由于表层与心部的含碳量不同,又多了一个变量,零件表层与心部马氏体开始转变温度(Ms)与马氏体终止转变温度(Mf)又不一样,更增加了复杂性。不论如何千变万化,从热处理经典相变理论及冷却曲线出发,总有规律可循。


应力是一种面积力,是一个张量,不是矢量,应力单位是kg/cm2,应力单位与压强量纲一样,物理意义却完全不同。应力的空间取向相当复杂,应力的数学微观模型是六面体,每个面分为正应力与切应力。应力在数学上也可以用应力软性系数表示。工业生产中通常从宏观综合结果上考虑应力的实际作用。在热变形与裂纹的分析中应力是必须优先考虑的重要课题。理想淬火冷却曲线为选择淬火冷却介质和冷却方法提供理论依据和方向,如图6所示。

图6 理想的淬火冷却曲线


3.淬火油冷却特性

淬火油的冷却特性必须基本符合上面想要的理想冷却曲线形状,由于淬火油初期蒸汽膜阶段对于冷速有降低作用,而珠光体转变有个孕育期,较低的冷却速度也可以减小热应力从而减小热变形,所以淬火油的这一特性反而是可以加以利用的特点,特别是对热变形要求很小的情况下。


蒸汽膜冷却阶段向沸腾冷却阶段转变的温度叫上特征温度(Tcv)。沸腾阶段的冷却速度加快,可以快速通过珠光体转变区和贝氏体转变区到达对流阶段的特性温度(Tcp)进入缓慢冷却,然后进入到马氏体转变开始温度(Ms),所以淬火油冷却速度也有“先慢后快再慢”三阶段的说法。


淬火油的上特征温度,最高冷却速度及出现最高冷却速度时的温度,对流阶段开始时的温度,只要这几个冷却特性温度和最大冷却速度与钢材临界点温度及马氏体开始转变温度(Ms)/终止转变温度(Mf)和材料临界冷却速度相匹配,这种淬火油就是适用的。


淬火油使试棒从850℃冷却到600℃/400℃/200℃时的时间,也是粗略判断钢材过冷奥氏体通过珠光体转变区和通过贝氏体转变区到达马氏体转变开始温度(Ms)的时间。淬火油在300℃时的冷却速度是评判材料进入马氏体转变开始温度(Ms)以下时零件冷却速度的重要参考,对工件是否产生淬火裂纹及热变形大小起着决定性的作用。这几个参数也是我们选择淬火油的重要关键点,结合冷却速度的分布选择,再通过现场工艺的调整,使之匹配性得到最好的发挥。ISO9950标准的IVF冷却特性测试仪测定的德润宝淬火油冷却曲线如图7所示。

图7 德润宝几种淬火油冷却特性曲线


评价淬火油的冷却特性(见表1)还可以从表面换热系数、淬火冷却烈度(Grossman因子)、浸湿速度等方面进行衡量。表面换热系数是传热计算中重要的物理参数,定量表述了零件与淬火油之间的换热行为,热交换符合能量守恒原理。淬火冷却烈度是一种粗略度量淬火油冷却能力的方法,用平均冷却速度近似代表实际冷却速度。浸湿速度是考虑零件入油先后时差造成上中下位置对冷却均匀度及淬火后零件的残留应力和畸变的影响。气淬就几乎不用考虑浸湿速度的影响。


4.钢材冷却曲线与淬火介质冷却特性的水平图

通常从热处理连续冷却CCT曲线可以给出淬火油的理想冷却曲线。传统习惯是把淬火油作为独立分支从专业角度研究如何使淬火油具备理想冷却曲线的形状。精细化的研究是要把淬火油的冷却曲线与钢材的连续冷却TTT曲线作对比,在不同温度区间段,调整淬火油的冷却特性使其符合预期效果。


淬火油作为热处理的一种辅料,开发的淬火油要有广泛的适用性才会有工业意义和商业价值,所以淬火油冷却曲线的特性温度与钢材冷却曲线几个温度吻合点其实是不需要特别精确的,与钢材的临界点温度高度吻合也是没有意义的,仅可用于理论探讨和理论分析,即相关特性温度不要违反热处理原理、不违背上述原则就可以。如淬火油的沸腾阶段的特性温度应当介于材料的Ac1 临界温度与冷却C曲线鼻子处温度之间,淬火油的对流阶段特性温度原则上要略高于钢材马氏体开始转变温度,但在对流开始温度之前,冷却速度降低到很慢,对流开始温度即使低于钢的马氏体开始转变温度Ms点,也是可以的。


无论理论上还是工业实际生产中很难得到淬火油的特性温度与钢材临界温度的基础数据的精准结果,两者高度吻合很难做到,也无必要,匹配应用时没有问题即可。出现问题时根据实际情况找出真正原因再进行调整。这也是相同或相近的材料零件大小结构也接近时可以共用淬火油的原因。实际上工件确定条件下适用的冷却速度曲线是一条宽带,我们可以把能够得到要求淬火硬度的最小冷却速度曲线定义为最低冷却速度分布线,工件允许的不会淬裂的最大冷却速度曲线定义成最高冷却速度分布线,介于两条分布线之间的冷却速度都是可以适用的,如何最佳化去满足热变形要求和其他特殊要求是淬火油优化的永恒课题。


把淬火油的冷却特性曲线与对应材料的连续冷却C曲线平行地摆放在一起,看看两者几个特性温度和冷却速度是否匹配,是判断淬火油适用性的正确而且重要的方法,如图8所示。

(a)                                        (b)

图8 钢材冷却曲线与淬火油冷却特性曲线的关联水平图


5.钢材冷却曲线与淬火介质冷却特性的N维图

上面的水平图是把淬火油的冷却特性曲线与铁碳合金材料冷却曲线平行关联起来作为淬火油选用的方法。作为一种理论抽象,也可以用多层图或立体图的数学模型来表示。多层图适合于在电脑上用图层表示,可以视为不同图层的冷却曲线的复合图,其实也可以在同一层一张复合图上用不同颜色区分不同的冷却曲线,便于找出两者的关联性。N维图形以温度坐标轴为公共Z轴,在平面X轴,Y轴上可设置成时间、冷却速度、成分、组织含量甚至工艺参数、零件参数及原材料等与所考虑问题涉及到的相关因素,这样便于直观地找到对应的关联。抽象地讲这种方法需要一定的三维想象力,把图形绘制出来,就显得直观多了。


联系淬火效果与冷却过程的一个简单方法是考察一些选定温度的冷却速度或一些温度范围的冷却时间。淬火组织的定量检测是很困难的,国内很多研究者把淬火后的便于检测的力学性能的重要指标硬度值与可以测量的冷却速度及冷却时间之间的关系进行过研究分析。金属热处理原理表明:铁素体、珠光体、贝氏体转变所需时间最短的温度范围具有高的冷却速度对淬火后的金相组织和硬度及力学性能至关重要。冷却曲线通常在实验室内在控制的条件下测定,今天在市场上也能够买到用于监测实际淬火槽中的冷却过程的设备。用标准的或非标准的试验探头测定的冷却曲线只反映探头一点或其周围的冷却特点。要特别指出:用无相变的材料,特别是银探头测定的冷却曲线与钢材的冷却曲线是不同的,这是需要我们加以注意区别与联系的。


按照ISO9550标准的规定,给出某个淬火冷却介质的冷却性能的测试结果应分三个部分:冷却曲线(包括温度-时间曲线和温度-冷却速度曲线)、冷却时间和冷却速度。冷却时间有三个从850℃冷却到600℃、400℃、200℃的时间(精确到0.5s),冷却速度包括最大冷却速度及在300℃时的冷却速度。按照SH/T0220标准的规定,对淬火油的评价有两个指标:特性温度(℃)和800℃冷却到400℃的时间。事实上对快速油和超速油来说,800℃冷却到300℃的时间非常重要。而对于水基淬火油来说,还应以400℃冷却到150℃的冷却时间或平均速度来评价。按照JB/T7591标准的规定,淬火冷却介质冷却性能的参数共有7个,即特性温度、特温时间、最高冷却速度及其位置、冷却时间三个(800~400℃,800~300℃,300~100℃)。淬火油冷却特性曲线基本包括了上面这些信息,JB/T7951 采用16mm×48mm银探头,SH/T0220 采用10mm×30mm银探头冷却曲线可认为是工件(小中尺寸)表面或次表面的冷却曲线。ISO9950 采用12.5mm×60mm Incone1600镍基合金探头测得的曲线可被视为工件(小中尺寸)心部或接近心部的冷却曲线。到达300℃时的冷却速度是评价淬火油低温区冷却性能的主要依据。根据淬火油冷却特性曲线结合钢材的连续冷却CCT曲线可以分析工件淬火时的组织转变过程,从而预测钢件淬火硬化效果和变形开裂倾向。


6.钢材淬透性曲线

淬火油的冷却曲线可以用来评价冷却性能,直观反映出冷却机制,还可以与钢材CCT冷却曲线相关联,但还是不能准确定量预测硬度、组织和力学性能。主要是淬火油冷却曲线测定时的温度场,热交换与实际生产中的温度场、热交换、边界条件都存在很大差异。最简单的例子是热交换时1kg的钢材在10kg的淬火油中冷却与100kg的钢材在10000kg的淬火油中冷却是完全不一样的。数量分别为1件、10件、100件、1000件的总重量都是100kg的钢材在10000kg的淬火油中冷却也是不一样的,即使数量都是100件总重量都是100kg的钢材在10000kg的淬火油中冷却效果也因零件结构不同和不同摆放位置而不相同。冷却速度不仅与工件与淬火油的重量有关,也与工件表面积及分布有关,这也是冷却问题的复杂性。


钢材淬透性还可以用临界直径方法表示,钢材中心淬火硬度能够达到对应硬度的棒料直径叫临界直径,超过这个尺寸,材料不能完全淬透。材料在原始条件下(规定预备热处理正火温度,规定淬火时奥氏体化温度)采用不同淬火冷却介质端淬试验时在表面、距中心3/4R、中心位置达到相同淬火硬度由于质量效应的原因影响冷却速度造成棒料直径不同,对应数值可通过查图9淬透性图来获得。端淬试验时虽然用水冷却但只是在试棒端面喷水冷却与整体水淬冷却是完全不一样的,整体水淬时棒料中心硬度淬到相同硬度值时对应棒料半径R=φ/2与端淬试验时相等硬度的位置J不相等。不少研究者作了这方面的试验研究,总结出这几个指定部分与端淬试验指定点冷速相同时,指定点至水冷端的距离(J)与圆棒直径(φ)的对应关系,如图10所示。

图9 钢材的淬透性

 

图10 相同冷速条件下圆棒指定点至水冷端距离与圆棒直径的关系


7.冷却过程控制

淬火油选定后,还需要注意淬火过程控制参数。淬火油通常是根据材料相变特性和导热特性以及淬火件的技术要求,有时还需要进行试验验证而事先选择的,供需双方制订技术协议约定淬火油的技术参数。淬火油使用温度影响介质粘度和流动性及淬火油溶质的附着状态,从而影响淬火油与工件的热交换和冷却速度。淬火冷却介质运动状态影响的是淬火油的烈度和温度均匀性。淬火过程时间不仅指总冷却时间,而且精准的是指通过相变区特性点的冷却时间,即冷却过程中淬火油蒸汽膜阶段、沸腾阶段、对流阶段三个热交换过程的时间转换点和钢材C曲线最不稳定点及马氏体转变点的时间是否基本能够匹配。这些时间阶段是由理论计算并经试验验证而确定的。


材料和淬火冷却介质已经确定的情况下,冷却过程控时浸淬系统是在冷却过程中按照时间阶段进行控制的装置。现场控制的主要手段是调整控制油量和装炉量,控制搅拌强度使工件在淬火冷却的各个阶段获得不同的冷却速度,例如在淬火初始阶段搅拌速度最大,在接近马氏体转变点时,搅拌速度降到最小。冷却过程的时间和搅拌速度是由计算机控制的。零件的重量、尺寸、结构、装炉量、油量及检测点位置都对冷却速度产生影响,要求严格时还需要对淬火油三个阶段特性作进一步微调以适应不同零件的具体要求,精准的控制需要由试验验证。控时浸淬系统已在生产中得到应用。


零件实际冷却速度还受到零件大小、结构、重量、厚薄、装炉、油量相对量、零件与油接触面积等其他因素的影响(见表2)。所有这些因素对于冷却速度的影响都没有理论公式计算,只能进行定性分析,用试验进行验证得到数据化的定量结果。国内外有些模似计算软件本质上是根据大量试验数据分析后建立数学模型而统计出来的经验公式,而并不是根据热处理微观机理按照热力学原理推导进行的计算,有些采用了热力学原理进行的计算也由于实际边界条件的不确定而采用理想状态默认理想条件进行计算,这些软件公式都有很大的参考作用,但也有一定的局限性。


8.淬火油的综合要求

淬火油的质量从技术条件来讲,要求在珠光体转变和贝氏体转变温度区间有足够的冷却速度。淬火油对流阶段的特性温度要高于奥氏体不稳定区,即在开始马氏体转变温度之上。在淬火冷却高温阶段,工件内只有热应力。如果热应力值大于奥氏体的屈服强度,就容易引起塑性变形。在热应力不超过奥氏体屈服强度的条件下,冷却速度可以尽量快。到了淬火冷却的中温阶段(Ms点以上),过冷奥氏体强度高,不容易发生塑性变形。对流阶段开始的温度高,这样在低温阶段即开始马氏体转变以后的冷却速度比较缓慢。待冷到马氏体转变温度范围,过快的冷却速度会产生过大的组织应力,可能引起工件变形甚至开裂,所以在马氏体转变期间冷却速度应慢一些。在不同温度范围内冷却速度都会影响零件残余应力状态。采用合理的淬火冷却介质及搅拌速度可使零件冷却均匀,减少淬火应力。


正是由于淬火油具有这样的特性,对于各种合金钢的淬火和薄壁碳钢零件的淬火是很合适的,尽管有环境污染、安全隐患大、成本高等不可忽视的缺点,还是得到了广泛的应用。淬火油还必须考虑其他涉及安全、环保、性能稳定、不易老化、经济成本方面的要求。淬火油比较重要的常规检测项目运动粘度既可以影响产品质量也会影响成本。这些要求必须符合国家标准及用户特殊的合理要求。

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