耐磨鋼鐵材料Ms點(diǎn)控溫淬火法

王定祥

（青島市機(jī)械研究所，山東青島266000）

耐磨鋼鐵材料Ms點(diǎn)控溫淬火法

王定祥

（青島市機(jī)械研究所，山東青島266000）

耐磨鋼鐵材料產(chǎn)品在生產(chǎn)制造經(jīng)過熱處理的淬火過程中容易產(chǎn)生開裂，其原因是淬火應(yīng)力。淬火應(yīng)力是熱應(yīng)力與組織應(yīng)力組成的，分析認(rèn)為熱應(yīng)力不會造成開裂，主要是組織應(yīng)力，由此提出了“Ms點(diǎn)控溫淬火法”。

耐磨鋼鐵材料；Ms點(diǎn)；Ms點(diǎn)控溫淬火法

耐磨鋼鐵材料產(chǎn)品生產(chǎn)的主要工序之一是熱處理，熱處理工藝中一個(gè)關(guān)健環(huán)節(jié)是淬火。淬火的好壞是影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)健。淬火不當(dāng)導(dǎo)致產(chǎn)品開裂報(bào)廢。淬火開裂是淬火應(yīng)力造成的，如何防止淬火開裂，就要防止或減少淬火內(nèi)應(yīng)力。將工件加熱至奧氏體化后，以大于臨界冷卻速度冷卻至Ms點(diǎn)及其附近，以人工干預(yù)的方法使工件緩慢進(jìn)行Ms點(diǎn)的組織轉(zhuǎn)變，以減少淬火應(yīng)力，達(dá)到防止工件開裂的目的，這就是Ms點(diǎn)控溫淬火法。

1 淬火開裂的理論基礎(chǔ)

工件的開裂只有垂直于斷面的應(yīng)力超過工件材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)才發(fā)生。在淬火過程中工件是有淬火應(yīng)力產(chǎn)生的，淬火應(yīng)力是由淬火熱應(yīng)力和淬火組織應(yīng)力的合成，當(dāng)淬火應(yīng)力超過工件的屈服強(qiáng)度就產(chǎn)生變形；當(dāng)淬火應(yīng)力超過工件的抗拉強(qiáng)度就開裂。

1.1 淬火熱應(yīng)力

工件因內(nèi)外溫差在淬火冷卻過程中因熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力，但此時(shí)沒有組織轉(zhuǎn)變過程，沒有組織應(yīng)力。工件加熱到800℃～1 100℃充分保溫，在此過程熱應(yīng)力完全松弛，在淬火冷卻時(shí)假設(shè)沒有發(fā)生組織轉(zhuǎn)變而只是熱脹冷縮的體積變化，在冷卻至室溫時(shí)的淬火介質(zhì)溫度時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力全部是熱應(yīng)力。冷卻過程可以簡化為三個(gè)階段。

第一階段：工件表面受拉應(yīng)力心部受壓應(yīng)力，工件在高溫800℃～1 100℃應(yīng)力完全松馳快冷至650℃左右，隨著冷卻的進(jìn)行，表面冷卻塊，心部冷卻慢，工件內(nèi)外溫度逐漸增大，導(dǎo)致比容不同，表面先冷收縮，心部冷卻慢阻礙收縮，心部使表面受拉，表面使心部受壓，因此工件表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，心部產(chǎn)生壓應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度工件便產(chǎn)生變形。但不會產(chǎn)生開裂。應(yīng)力隨溫度變化情況及t1時(shí)刻應(yīng)力狀態(tài)如圖1a）所示。

第二階段：工件表面應(yīng)力與心部應(yīng)力逆向而行，應(yīng)力重疊為零。溫度由650℃左右繼續(xù)冷至300℃左右，工件表面由塑性轉(zhuǎn)變到彈性范圍，形成硬殼。工件表面冷卻速度減慢，而心部冷卻速度加快，心部冷卻速度超過表面冷卻速度，應(yīng)力逆向抵消使應(yīng)力松馳為零。此過程工件不變形也不開裂。應(yīng)力隨溫度變化情況及t2時(shí)刻應(yīng)力狀態(tài)如圖1b）所示。

圖1 冷卻過程中表面和中心部分熱應(yīng)力變化

第三階段：工件表面壓應(yīng)力，心部為拉應(yīng)力。工件在冷卻介質(zhì)中由300℃繼續(xù)冷卻至室溫，心部冷卻速度使心部冷至低溫收縮時(shí)，而處于硬殼狀態(tài)的表面阻礙心部收縮，此時(shí)心部受拉力，而表面變壓應(yīng)力，工件表面不會開裂。應(yīng)力隨溫度變化情況及t3時(shí)刻應(yīng)力狀態(tài)如圖1c）所示。

1.2 淬火組織應(yīng)力

工件加熱到800℃～1 100℃時(shí)組織已經(jīng)完全奧氏體化，在急冷至Ms（300℃左右）之前無相變，應(yīng)力變化的機(jī)理與熱應(yīng)力變化相同。因無組織轉(zhuǎn)變，工件表面受壓應(yīng)力不會開裂。淬火組織應(yīng)力主要是奧氏體過冷至Ms點(diǎn)進(jìn)行馬氏體組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的，圖2所示為冷卻過程中表面和中心部分組織應(yīng)力變化。在Ms點(diǎn)進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變，馬氏體比容大于奧氏體比容，表面先轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體發(fā)生膨脹，未發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的心部則阻止膨脹，此時(shí)表面受壓，心部受拉，隨著冷卻繼續(xù)進(jìn)行心部處于奧氏體組織產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力被松馳。當(dāng)繼續(xù)急冷心卻轉(zhuǎn)變成馬氏體時(shí)，應(yīng)力反轉(zhuǎn)變成心部受壓，表面受拉，此時(shí)組織拉應(yīng)力大于工件材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)就開裂。組織應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)也有熱應(yīng)力變化，由于很小不考慮，組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的拉應(yīng)力很大，就有開裂的危險(xiǎn)性。因此，在此Ms轉(zhuǎn)變區(qū)，采取人工干預(yù)讓Ms轉(zhuǎn)變速度減慢，使拉應(yīng)力降低至安全范圍。

圖2 冷卻過程中表面和中心部分組織應(yīng)力變化

2 淬火組織應(yīng)力的機(jī)制

2.1 奧氏體化

耐磨鋼鐵材料加熱至800℃～1 100℃范圍時(shí)顯微組織奧氏體化，奧氏體是碳原子與合金元素原子溶入r-Fe中的固溶體。碳原子存在于間隙位置，錳、硅、鎳等則量換部分碳原子處于面心立方晶格位置，奧氏體晶胞見圖3.

圖3 奧氏體晶胞

2.2 馬氏體

馬氏體是碳與合金元素在α-Fe中的過飽和固溶體。馬氏體轉(zhuǎn)變是在低溫進(jìn)行的，鐵原子與碳原子在r-Fe內(nèi)進(jìn)行無擴(kuò)散位移，形成切變α-Fe，碳在α-Fe中是間隙固溶體，引起晶格畸變，造成立方體c軸伸長，a軸縮短，c/a稱為正方度。馬氏體的晶胞示意圖見圖4.

圖4 馬氏體的晶胞示意圖

從圖3、圖4及表1可知，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，奧氏體立方體晶胞轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體正方度晶胞，晶胞平面的長度發(fā)生變化，造成馬氏體比容比奧氏體大，產(chǎn)生組織拉應(yīng)力。奧氏體淬火時(shí)過冷度愈，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的速度愈快，組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的拉應(yīng)力愈大，開裂傾向愈大。如果工件因溫差造成組織轉(zhuǎn)變有時(shí)間差，組織轉(zhuǎn)變的不一致產(chǎn)生拉應(yīng)力，開裂傾向大。當(dāng)組織拉應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)工件就開裂。

表1 奧氏體與馬氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及比容

表2 常用淬火介質(zhì)

表3 淬火應(yīng)力的影響因素

圖5 理想淬火冷卻曲線

3 選擇淬火介質(zhì)的原則

接耐磨鋼鐵材料的化學(xué)成份、力學(xué)性能及顯微組織要求制訂熱處理工藝。

淬火介質(zhì)的選擇是要求工件淬火質(zhì)量穩(wěn)定、操作可靠、工藝簡單、性價(jià)比高、環(huán)保安全。淬火介質(zhì)能用空氣冷卻的就不要吹風(fēng)，能用吹風(fēng)的就不要噴霧，能用水的就不用PAG水溶性淬火介質(zhì)或淬火油，能用PAG水溶性淬火介質(zhì)的就不用淬火油。常用淬火介質(zhì)見表2.

4 影響工件淬火應(yīng)力的因素

防止淬火開裂涉及到耐磨鋼鐵材料的化學(xué)成分、熔煉鑄造、清理以及熱處理工藝的整個(gè)過程，淬火應(yīng)力的影響因素見表3.

改變工件內(nèi)溫度場和相變的時(shí)間差可以影響工件淬火應(yīng)力的產(chǎn)生。Ms點(diǎn)控溫淬火法即從此角度來解決淬火開裂問題。

5 理想的淬火冷卻曲線

如何控制冷卻速度是淬火工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。耐磨合金鋼淬火是在Ac3以上，奧氏體化后鑄件以大于淬火臨界冷卻速度冷卻下來獲得馬氏體組織。在馬氏體開始轉(zhuǎn)變點(diǎn)Ms的冷卻要求緩慢一些，以減小奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力以及熱應(yīng)力，防止開裂。Mf為馬氏體轉(zhuǎn)變終了點(diǎn)。圖5所示為理想的淬火冷卻曲線。

理想的淬火冷卻曲線分三段。第一階段是鋼鐵耐磨鑄件從爐內(nèi)出來到進(jìn)入淬火介質(zhì)之前，第二階段是鋼鐵耐磨鑄件進(jìn)入淬火介質(zhì)快速通過C曲線的臨界冷卻速度，即俗稱的牛鼻子尖；第三階段是鋼鐵耐磨鑄件緩慢冷卻通過Ms點(diǎn)，這里表示的是理想淬火冷卻速度。在實(shí)際的淬火冷卻曲線，第一階段是鑄件從爐內(nèi)出來到淬火介質(zhì)中，此時(shí)是在空氣中進(jìn)行。第二階段冷卻要快速通過鼻子尖而不與其相交，要全部得到馬氏體，否則出現(xiàn)屈氏體等其他組織，硬度上不去。在實(shí)際淬火介質(zhì)中第三階段冷卻速度是第二階段冷卻速度的延續(xù)，是不會慢下來的，要想在第三階段實(shí)現(xiàn)緩慢冷卻就要有干預(yù)措施，人工控制Ms轉(zhuǎn)變速度就是采用這個(gè)措施。

圖6 實(shí)際的淬火冷卻曲線

圖7 不同合金鋼Ms點(diǎn)控溫淬火冷卻曲線

6 實(shí)際的淬火冷卻曲線

圖6為實(shí)際的淬火冷卻曲線與奧氏體等溫轉(zhuǎn)度圖即C曲線的關(guān)系。淬火的冷卻速度，要超過臨界冷卻速度才能得到馬氏體。圖示數(shù)字表示了幾種淬火冷卻方式。

1—淬水：水在這幾種冷卻方式中速度最快。

2—PAG水溶性淬火介質(zhì)，一般冷卻速度在水與油之間。

3—淬油：冷卻速度比水、水溶性淬火介質(zhì)慢。

4—馬氏體開始轉(zhuǎn)變點(diǎn)以下的分級淬火：在稍低于Ms點(diǎn)溫度的鹽浴中停留一段時(shí)間使工件截面溫度均勻，然后出浴在空氣中進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變。

5—馬氏開始轉(zhuǎn)變點(diǎn)以上的分級淬火：在稍高于Ms點(diǎn)溫度的鹽浴中停留使工件截面溫度均勻，然后出浴在空氣中進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變。

6—等溫淬火：在上貝氏體或下貝氏體轉(zhuǎn)變的溫度在鹽溶中停留直至完成貝氏體轉(zhuǎn)變。

4、5、6的淬火冷卻方法比較符合理想淬火冷卻曲線，雖然設(shè)備制造比較復(fù)雜、投資大，但自動化熱處理爐淬火生產(chǎn)線，操作方便，質(zhì)量穩(wěn)定，是可供選擇的生產(chǎn)方法。

7 Ms點(diǎn)控溫淬火法

Ms點(diǎn)控溫淬火法就是將耐磨鋼鐵材料加熱經(jīng)奧氏體化淬入選用的淬火介質(zhì)，以超過臨界冷卻速度急冷至Ms點(diǎn)或其上下設(shè)定的溫度范圍，停留至欲超下限時(shí)出液空冷，在空氣中停留至欲超上限時(shí)再入液，這樣反復(fù)1次至多次控制在該溫度范圍內(nèi)出液，以達(dá)到工件緩慢完成馬氏體轉(zhuǎn)變又不開裂的目的，Ms點(diǎn)控溫淬火就是減少奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的過冷度，降低奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體速度，改變工件內(nèi)溫度場減少溫差以及減少奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相變的時(shí)間差，以降低組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的組織拉應(yīng)力，防止組織拉應(yīng)力超過材料抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生的開裂。

Ms點(diǎn)控溫淬火法的淬火介質(zhì)可以是水、PAG水溶性淬火介質(zhì)、油以及噴霧等。一般情況下，耐磨中合金鋼的Ms區(qū)間設(shè)置在Ms±t/2，耐磨低合金鋼的Ms區(qū)間設(shè)置在Ms-t，耐磨高合金鋼的Ms區(qū)間設(shè)置在Ms+t，t為形成區(qū)間的溫度，如圖7所示。Ms點(diǎn)區(qū)間的設(shè)置因材質(zhì)、工件形狀尺寸以及淬火介質(zhì)而不同。一般情況下經(jīng)Ms點(diǎn)控溫淬火法，淬火的工件需及時(shí)進(jìn)行回火。由于工件出液空冷留有余熱有自身回火作用，對于某些形狀簡單，工況使用環(huán)境不嚴(yán)酷的條件下也可不回火，回火與否可經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證而確定。

采用Ms點(diǎn)控溫淬火法的耐磨鋼鐵材料工件對化學(xué)成分的控制、熔煉時(shí)鋼水的純凈性、出鋼及澆注溫度、夾雜物及非金屬氧化物、各種鑄造缺陷甚至工件清理是否到位要求很高，這些問題的存在均導(dǎo)致開裂，常見的為工件樹枝狀裂紋，網(wǎng)狀裂紋，以及工件表面淺表性顯微裂紋。如果是縮孔、疏松造成的開裂與淬火開裂還是容易區(qū)別的。Ms點(diǎn)控制淬火法在熱處理生產(chǎn)線中設(shè)計(jì)機(jī)械裝置是容易實(shí)現(xiàn)的，在一些企業(yè)不乏應(yīng)用實(shí)例。

圖8 鋼球Ms點(diǎn)控溫淬火機(jī)

圖9 鋼棒

8 應(yīng)用實(shí)例

8.1 鋼球

鋼球是球磨機(jī)用以粉碎物料的研磨介質(zhì)。50Mn2鋼的化學(xué)成分及Ms見表4.

表4 50Mn2化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）及Ms

自動化高鉻鑄球生產(chǎn)線中熱處理淬火就是控制高鉻鑄球在油中停留時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對Ms點(diǎn)轉(zhuǎn)變溫度的控制。某鋼球模具設(shè)備有限公司使用的ZT系列自動推桿式熱處理淬火生產(chǎn)線就實(shí)現(xiàn)了對“Ms點(diǎn)控溫淬火”的出液溫度可調(diào)。

8.2 鋼棒

鋼棒是棒磨機(jī)用以粉碎物料的研磨介質(zhì)（見圖9）。鋼棒.鋼棒化學(xué)成分及Ms點(diǎn)見表6.鋼棒尺寸，Ms控溫淬火參數(shù)及硬度見表7.鋼棒在淬火前需退火。鋼棒加熱淬火設(shè)備為鋼棒推桿式連續(xù)淬火爐。鋼棒從爐后進(jìn)爐前出，淬火爐分三段溫區(qū)：低溫、中溫及淬火溫度。鋼棒在爐內(nèi)為單層放置，爐膛高度按單層設(shè)計(jì)，高度較低。鋼棒淬火保溫完成由頂桿推至爐前滑落至淬火水槽的搖床內(nèi)晃動至按直徑劃分的時(shí)間提升出再滾至料堆。鋼棒在料堆中由余熱進(jìn)行內(nèi)應(yīng)力消除，無需再用回火爐回火。經(jīng)用戶使用證明鋼棒耐磨性良好不開裂。

表6 鋼棒化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）及Ms

表7 鋼棒尺寸、Ms控溫淬火參數(shù)及硬度

筒體襯板的化學(xué)成分、硬度要求及Ms點(diǎn)見表8.簡體襯板截面尺寸見圖10.

襯板淬水冷透容易開裂，因此采用Ms點(diǎn)控溫淬火。筒體襯板先要進(jìn)行退火。襯板經(jīng)淬火爐加熱至奧氏體化溫度，一次吊兩塊淬火，入水晃動約280 s即襯板降到120℃～200℃出水，在空氣中停30 s再入水15 s出，吊入回火爐按回火工藝進(jìn)行回火。

有電爐生產(chǎn)企業(yè)，可以供給對罩式全纖維臺車電阻爐與臺車式電阻爐配套的鑄件出爐進(jìn)入淬火液的“Ms點(diǎn)控溫淬火”裝置。

第二倉襯板材料ZGCr13SiMo鋼的化學(xué)成分，硬度要求及Ms見表9，4.5 m×15.11m水泥球磨機(jī)第二分級襯板見圖11.

圖10 簡體襯板截面尺寸圖（單重265 kg，單位：mm）

表8 ZG35Cr2MnSiMoRE化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）、硬度及Ms

圖114 .5 m×15.11 m球磨機(jī)第二倉分級襯板

顯微組織：馬氏體+共晶碳化物+二次碳化物+殘余奧氏體

襯板尺寸：347 mm×245 mm×55/95 mm.

襯板厚度：55 mm，凸棱處厚95 mm.襯板經(jīng)奧氏體化后在油中冷卻容易開裂，因此采用Ms點(diǎn)控溫淬火法。用油采用32號機(jī)械油或?qū)Ｓ么慊鹩汀?/p>

采用電阻爐或罩式臺車電阻爐將襯板加熱至奧氏體化后，一次吊兩塊襯板淬油。入油后晃動約660 s，即襯板降至180℃～240℃出油，空冷30 s后再入油30 s出油，吊入回火爐按回火工藝進(jìn)行回火。

8.5 板錘

反擊式破碎機(jī)板錘一般采用抗磨白口鑄鐵，按中國鑄造協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)及鋼鐵耐磨材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn),反擊式破碎機(jī)鑄造板錘抗磨白口鑄鐵牌號與化學(xué)成分及硬度要求見表10.

表9 ZGCr13SiMo鋼的化學(xué)成分、硬度及Ms（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表10 抗磨白口鑄鐵板錘牌號、化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）與硬度

PF1210型反擊式破碎機(jī)抗磨白口鑄鐵板錘化學(xué)成分及Ms見表11，板錘見圖12.

表11 板錘化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）及Ms

圖12 板錘

PF1210型反擊式破碎機(jī)板錘規(guī)格為940 mm ×300 mm×110 mm，質(zhì)量200 kg.硬度要求≥HRC59.顯微組織：馬氏體+共晶碳化物+二次碳化物+殘余奧氏體。

板錘淬火可以采用空冷、風(fēng)冷、噴霧吹風(fēng)以及PAG水溶性淬火，要根據(jù)板錘的規(guī)格尺寸、化學(xué)成分以及天氣溫度而確定。采用空冷的將奧氏體化的板錘吊出放置冷卻架上即可，吹風(fēng)的一般將其吹冷至280℃左右停風(fēng)空冷。用油淬冷透容易開裂，采用Ms控溫淬火法因出液的溫度較高，板錘容易帶火，采用較少。而水淬冷速較快，對鑄件的熔煉及鑄造質(zhì)量要求較高，也采用較少，這里介紹噴霧吹風(fēng)的Ms點(diǎn)控溫淬火法及淬水的Ms點(diǎn)控溫淬火法。

1）噴霧吹風(fēng)的Ms點(diǎn)控溫淬火法

首先要自制一套噴霧吹風(fēng)裝置，采用能在噴霧情況下達(dá)到要求冷速的鼓風(fēng)機(jī)，以保證淬火工藝的實(shí)施。板錘在淬火加熱爐內(nèi)達(dá)到奧氏體化溫度后迅速吊運(yùn)至冷卻床冷卻，立即噴霧，用30 min冷卻至500℃，即以冷卻速度約18.5℃/min，冷卻至500℃，此時(shí)停霧不停風(fēng)，繼續(xù)吹風(fēng)至280℃，用時(shí)約16 min停風(fēng)空冷，隨即進(jìn)入回火爐按回火工藝完成，板錘淬火回火后，硬度≥61 HRC.

2）淬水的Ms點(diǎn)控溫淬火法

板錘奧氏體化后迅速吊入水槽中，在水中晃動120 s，此時(shí)板錘已降至500℃，然后出水空冷，空冷至280℃入回火爐按回火工藝完成，板錘淬火后硬度為HRC59.8，淬火回火后硬度為≥HRC61.

MsPoint Temperature Control Quenching Method of the Wear Resisting Cast Steel

WANG Ding-xiang
（Qingdao Machine Research Institute，Qingdao Shandong 266000，China）

The wear resisting cast steel product is prone to crack through the heat treatment quenching process in the production because of the quenching stress.The quenching stress consists of thermal stress and structural stress.According to the analysis，the crack is mainly caused by the structural stress，and thus“the Ms point temperature control quenching method”is put forward.

wear resisting cast steel material，Ms point，the Ms point temperature control quenching method

TG156.31

A

1674-6694（2017）01-0049-06

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.01.016

2016-10-25

王定祥（1936-），男，教授級高級工程師，主要從事金屬熱處理、耐磨材料的研究、應(yīng)用與開發(fā)。