從金相組織轉(zhuǎn)變角度解讀淬火油的選用要求

■ 王陸軍，張 民，羅 屏，郭 沿

1. 鐵碳相圖和等溫轉(zhuǎn)變圖及連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖

金屬材料熱處理就是通過改變材料內(nèi)部金相組織從而達到所需要的力學(xué)性能。金屬材料的內(nèi)部金相組織是由各種有序的晶體結(jié)構(gòu)組成，不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變就是相變。依據(jù)嚴(yán)格的熱力學(xué)的定義，凡第一級相變，自由能對溫度和壓力的第一導(dǎo)數(shù)是非連續(xù)的。如果相變前后的自由能及其第一導(dǎo)數(shù)都相等而自由能的第二導(dǎo)數(shù)有一突變點，則這一相變是第二級相變。熱處理過程同樣遵循物質(zhì)不滅原理和質(zhì)量守恒定律，發(fā)生的只是物理變化及化學(xué)變化。鐵碳相圖說明的是平衡狀態(tài)下鋼材的化學(xué)成分與溫度及組織之間的關(guān)系，F(xiàn)e-C相圖在1904年由Carpenter和Keeling建立，經(jīng)過近百年世界各國相圖工作者不斷地修正才成為今天我們看到的樣子，經(jīng)典鐵碳相圖如圖1所示。

圖1 鐵碳相圖

圖2 鐵碳合金成分與組織組成物及相組成物的關(guān)系

γ/A：奧氏體區(qū)；α/F：鐵素體區(qū)；L：液相區(qū)； Fe3C/Cm：滲碳體區(qū)；δ：固溶體區(qū)

根據(jù)鐵碳相圖，可以歸納出不同含碳量的鐵碳合金的平衡組成組分是什么狀態(tài)，如圖2所示。

等溫轉(zhuǎn)變圖是極其緩慢冷卻的，實際生產(chǎn)中平衡狀態(tài)下的無限緩慢的冷卻是很少見的，工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用更多的是連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖。在這種連續(xù)冷卻條件下，根據(jù)冷卻速度的不同，可以得到不同的組織狀態(tài)。如果說等溫轉(zhuǎn)變圖能夠說明同一個成分的鐵碳合金以無限緩慢的冷卻速度只能得到唯一的理想平衡狀態(tài)組織，連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖則表明同一個化學(xué)成分的鐵碳合金因冷卻速度的不同還可以得到不同的相變組織。

如圖3所示，該冷卻曲線圖較為復(fù)雜，包含的信息量很大。縱坐標(biāo)表示溫度，橫坐標(biāo)采用了不同的時間單位而且是不等距的。冷卻速度采用了一種平均冷卻速度的表述，組織組成物、最終組織的硬度都給出了數(shù)據(jù)化的定量描述，但這只是固定鋼號特定試驗條件下得到的實際值，僅供參考。

通常用圖4這張簡圖定性說明，具體鋼號具體試驗條件下的組織組成物及含量，實際硬度值再由試驗得到。

從上面的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖，我們還能夠知道共析碳鋼不同冷卻條件下會得到什么樣的金相組織，如圖5所示。這正是需要我們從理論基礎(chǔ)上去整體把握的內(nèi)核，也是分析熱處理實際問題的根本。

圖3 亞共析鋼冷卻曲線

圖4 共析鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線與等溫轉(zhuǎn)變曲線的比較

圖5 共析碳鋼不同冷卻條件下的組織狀態(tài)圖

2. 根據(jù)鐵碳相圖及連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖提出對零件冷卻速度的要求

通過鐵碳相圖和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖的分析，我們應(yīng)該已經(jīng)知道鋼材淬火時組織轉(zhuǎn)變的規(guī)律。要得到淬火馬氏體組織，理想的淬火冷卻曲線應(yīng)該是這樣的：在開始馬氏體轉(zhuǎn)變溫度之前，這時過冷奧氏體不要發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，零件以熱應(yīng)力為主，在變形允許的情況下，冷卻速度盡量要快，迅速通過等溫轉(zhuǎn)變圖的鼻子，讓過冷奧氏體不發(fā)生非馬氏體轉(zhuǎn)變（此處我們只討論馬氏體淬火，不討論貝氏體等溫淬火---在貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間保溫等溫淬火）。溫度下降到接近馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度（Ms）時，冷卻速度要慢下來，因為馬氏體轉(zhuǎn)變是無擴散型，不需要孕育期，組織轉(zhuǎn)變不同步時會產(chǎn)生組織應(yīng)力。由于零件表面與心部冷卻速度的差異及滲碳淬火件表面滲層與心部的含碳量不同引起的馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度不同，造成零件表面與心部馬氏體轉(zhuǎn)變開始的時間與馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束的時間都有一個時間差，當(dāng)產(chǎn)生表面是拉應(yīng)力心部是壓應(yīng)力時，零件極易產(chǎn)生變形甚至開裂。滲碳淬火零件由于表層與心部的含碳量不同，又多了一個變量，零件表層與心部馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度（Ms）與馬氏體終止轉(zhuǎn)變溫度（Mf）又不一樣，更增加了復(fù)雜性。不論如何千變?nèi)f化，從熱處理經(jīng)典相變理論及冷卻曲線出發(fā)，總有規(guī)律可循。

應(yīng)力是一種面積力，是一個張量，不是矢量，應(yīng)力單位是MPa，應(yīng)力單位與壓強量綱一樣，物理意義卻完全不同。應(yīng)力的空間取向相當(dāng)復(fù)雜，應(yīng)力的數(shù)學(xué)微觀模型是六面體，每個面分為正應(yīng)力與切應(yīng)力。應(yīng)力在數(shù)學(xué)上也可以用應(yīng)力軟性系數(shù)表示。工業(yè)生產(chǎn)中通常從宏觀綜合結(jié)果上考慮應(yīng)力的實際作用。在熱變形與裂紋的分析中應(yīng)力是必須優(yōu)先考慮的重要課題。理想淬火冷卻曲線為選擇淬火冷卻介質(zhì)和冷卻方法提供理論依據(jù)和方向，如圖6所示。

圖6 理想的淬火冷卻曲線

圖7 德潤寶幾種淬火油冷卻特性曲線

3. 淬火油冷卻特性

淬火油的冷卻特性必須基本符合上面想要的理想冷卻曲線形狀，由于淬火油初期蒸汽膜階段對于冷速有降低作用，而珠光體轉(zhuǎn)變有個孕育期，較低的冷卻速度也可以減小熱應(yīng)力從而減小熱變形，所以淬火油的這一特性反而是可以加以利用的特點，特別是對熱變形要求很小的情況下。

蒸汽膜冷卻階段向沸騰冷卻階段轉(zhuǎn)變的溫度叫上特征溫度（Tcv）。沸騰階段的冷卻速度加快，可以快速通過珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)和貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)到達對流階段的特性溫度（Tcp）進入緩慢冷卻，然后進入到馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度（Ms），所以淬火油冷卻速度也有“先慢后快再慢”三階段的說法。

淬火油的上特征溫度，最高冷卻速度及出現(xiàn)最高冷卻速度時的溫度，對流階段開始時的溫度，只要這幾個冷卻特性溫度和最大冷卻速度與鋼材臨界點溫度及馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度（Ms）/終止轉(zhuǎn)變溫度（Mf）和材料臨界冷卻速度相匹配，這種淬火油就是適用的。

淬火油使試棒從850℃冷卻到600℃/400℃/200℃時的時間，也是粗略判斷鋼材過冷奧氏體通過珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)和通過貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)到達馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度（Ms）的時間。淬火油在300℃時的冷卻速度是評判材料進入馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度（Ms）以下時零件冷卻速度的重要參考，對工件是否產(chǎn)生淬火裂紋及熱變形大小起著決定性的作用。這幾個參數(shù)也是我們選擇淬火油的重要關(guān)鍵點，結(jié)合冷卻速度的分布選擇，再通過現(xiàn)場工藝的調(diào)整，使之匹配性得到最好的發(fā)揮。ISO9950標(biāo)準(zhǔn)的IVF冷卻特性測試儀測定的德潤寶淬火油冷卻曲線如圖7所示。

評價淬火油的冷卻特性（見表1）還可以從表面換熱系數(shù)、淬冷烈度（Grossman因子）、浸濕速度等方面進行衡量。表面換熱系數(shù)是傳熱計算中重要的物理參數(shù)，定量表述了零件與淬火油之間的換熱行為，熱交換符合能量守恒原理。淬冷烈度是一種粗略度量淬火油冷卻能力的方法，用平均冷卻速度近似代表實際冷卻速度。浸濕速度是考慮零件入油先后時差造成上中下位置對冷卻均勻度及淬火后零件的殘留應(yīng)力和畸變的影響。氣淬就幾乎不用考慮浸濕速度的影響。

4. 鋼材冷卻曲線與淬火介質(zhì)冷卻特性的水平圖

通常從熱處理連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖可以給出淬火油的理想冷卻曲線。傳統(tǒng)習(xí)慣是把淬火油作為獨立分支從專業(yè)角度研究如何使淬火油具備理想冷卻曲線的形狀。精細(xì)化的研究是要把淬火油的冷卻曲線與鋼材的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖作對比，在不同溫度區(qū)間段，調(diào)整淬火油的冷卻特性使其符合預(yù)期效果。

淬火油作為熱處理的一種輔料，開發(fā)的淬火油要有廣泛的適用性才會有工業(yè)意義和商業(yè)價值，所以淬火油冷卻曲線的特性溫度與鋼材冷卻曲線幾個溫度吻合點其實是不需要特別精確的，與鋼材的臨界點溫度高度吻合也沒有意義，僅可用于理論探討和理論分析，即相關(guān)特性溫度不要違反熱處理原理、不違背上述原則就可以。如淬火油的沸騰階段的特性溫度應(yīng)當(dāng)介于材料的Ac1臨界溫度與等溫轉(zhuǎn)變圖鼻子處溫度之間，淬火油的對流階段特性溫度原則上要略高于鋼材馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度，但在對流開始溫度之前，冷卻速度降低到很慢，對流開始溫度即使低于鋼的馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度Ms點，也是可以的。

無論理論上還是工業(yè)實際生產(chǎn)中很難得到淬火油的特性溫度與鋼材臨界溫度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)結(jié)果，兩者高度吻合很難做到，也無必要，匹配應(yīng)用時沒有問題即可。出現(xiàn)問題時根據(jù)實際情況找出真正原因再進行調(diào)整。這也是相同或相近的材料零件大小結(jié)構(gòu)也接近時可以共用淬火油的原因。實際上工件確定條件下適用的冷卻速度曲線是一條寬帶，我們可以把能夠得到要求淬火硬度的最小冷卻速度曲線定義為最低冷卻速度分布線，工件允許的不會淬裂的最大冷卻速度曲線定義成最高冷卻速度分布線，介于兩條分布線之間的冷卻速度都是可以適用的，如何最佳化去滿足熱變形要求和其他特殊要求是淬火油優(yōu)化的永恒課題。

把淬火油的冷卻特性曲線與對應(yīng)材料的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖平行地擺放在一起，看看兩者幾個特性溫度和冷卻速度是否匹配，是判斷淬火油適用性的正確而且重要的方法，如圖8所示。

表1 知名品牌好富頓、德潤寶、科潤幾種淬火油冷卻特性比較

5. 鋼材冷卻曲線與淬火冷卻介質(zhì)冷卻特性的N維圖

上面的水平圖是把淬火油的冷卻特性曲線與鐵碳合金材料冷卻曲線平行關(guān)聯(lián)起來作為淬火油選用的方法。作為一種理論抽象，也可以用多層圖或立體圖的數(shù)學(xué)模型來表示。多層圖適合于在計算機上用圖層表示，可以視為不同圖層的冷卻曲線的復(fù)合圖，其實也可以在同一層一張復(fù)合圖上用不同顏色區(qū)分不同的冷卻曲線，便于找出兩者的關(guān)聯(lián)性。N維圖形以溫度坐標(biāo)軸為公共Z軸，在平面X軸，Y軸上可設(shè)置成時間、冷卻速度、成分、組織含量甚至工藝參數(shù)、零件參數(shù)及原材料等與所考慮問題涉及到的相關(guān)因素，這樣便于直觀地找到對應(yīng)的關(guān)聯(lián)。抽象地講這種方法需要一定的三維想象力，把圖形繪制出來，就顯得直觀多了。

聯(lián)系淬火效果與冷卻過程的一個簡單方法是考察一些選定溫度的冷卻速度或一些溫度范圍的冷卻時間。淬火組織的定量檢測是很困難的，國內(nèi)很多研究者把淬火后的便于檢測的力學(xué)性能的重要指標(biāo)硬度值與可以測量的冷卻速度及冷卻時間之間的關(guān)系進行過研究分析。金屬熱處理原理表明：鐵素體、珠光體、貝氏體轉(zhuǎn)變所需時間最短的溫度范圍具有高的冷卻速度對淬火后的金相組織和硬度及力學(xué)性能至關(guān)重要。冷卻曲線通常在實驗室內(nèi)在控制的條件下測定，今天在市場上也能夠買到用于監(jiān)測實際淬火槽中的冷卻過程的設(shè)備。用標(biāo)準(zhǔn)的或非標(biāo)準(zhǔn)的試驗探頭測定的冷卻曲線只反映探頭一點或其周圍的冷卻特點。要特別指出：用無相變的材料，特別是銀探頭測定的冷卻曲線與鋼材的冷卻曲線是不同的，這是需要我們加以注意區(qū)別與聯(lián)系的。

按照ISO9550標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，給出某個淬火冷卻介質(zhì)的冷卻性能的測試結(jié)果應(yīng)分三個部分：冷卻曲線（包括溫度-時間曲線和溫度-冷卻速度曲線）、冷卻時間和冷卻速度。冷卻時間有三個從850℃冷卻到600℃、400℃、200℃的時間（精確到0.5s），冷卻速度包括最大冷卻速度及在300℃時的冷卻速度。按照SH/T0220標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對淬火油的評價有兩個指標(biāo)：特性溫度（℃）和800℃冷卻到400℃的時間。事實上對快速油和超速油來說，800℃冷卻到300℃的時間非常重要。而對于水基淬火液來說，還應(yīng)以400℃冷卻到150℃的冷卻時間或平均速度來評價。按照J(rèn)B/T7591標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，淬火冷卻介質(zhì)冷卻性能的參數(shù)共有7個，即特性溫度、特溫時間、最高冷卻速度及其位置、冷卻時間三個（800～400℃，800～300℃，300～100℃）。淬火油冷卻特性曲線基本包括了上面這些信息，JB/T7951 采用16mm×48mm銀探頭，SH/T0220 采用10mm×30mm銀探頭冷卻曲線可認(rèn)為是工件（小中尺寸）表面或次表面的冷卻曲線。ISO9950 采用12.5mm×60mm Incone1600鎳基合金探頭測得的曲線可被視為工件（小中尺寸）心部或接近心部的冷卻曲線。到達300℃時的冷卻速度是評價淬火油低溫區(qū)冷卻性能的主要依據(jù)。根據(jù)淬火油冷卻特性曲線結(jié)合鋼材的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖可以分析工件淬火時的組織轉(zhuǎn)變過程，從而預(yù)測鋼件淬火硬化效果和變形開裂傾向。

圖8 鋼材冷卻曲線與淬火油冷卻特性曲線的關(guān)聯(lián)水平圖

6. 鋼材淬透性曲線

淬火油的冷卻曲線可以用來評價冷卻性能，直觀反映出冷卻機制，還可以與鋼材連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖相關(guān)聯(lián)，但還是不能準(zhǔn)確定量預(yù)測硬度、組織和力學(xué)性能。主要是淬火油冷卻曲線測定時的溫度場，熱交換與實際生產(chǎn)中的溫度場、熱交換、邊界條件都存在很大差異。最簡單的例子是熱交換時1kg的鋼材在10kg的淬火油中冷卻與100kg的鋼材在10000kg的淬火油中冷卻是完全不一樣的。數(shù)量分別為1件、10件、100件、1000件的總重量都是100kg的鋼材在10000kg的淬火油中冷卻也是不一樣的，即使數(shù)量都是100件總重量都是100kg的鋼材在10000kg的淬火油中冷卻效果也因零件結(jié)構(gòu)不同和不同擺放位置而不相同。冷卻速度不僅與工件與淬火油的重量有關(guān)，也與工件表面積及分布有關(guān)，這也是冷卻問題的復(fù)雜性。

鋼材淬透性還可以用臨界直徑方法表示，鋼材中心淬火硬度能夠達到對應(yīng)硬度的棒料直徑叫臨界直徑，超過這個尺寸，材料不能完全淬透。材料在原始條件下（規(guī)定預(yù)備熱處理正火溫度，規(guī)定淬火時奧氏體化溫度）采用不同淬火冷卻介質(zhì)端淬試驗時在表面、距中心3/4R、中心位置達到相同淬火硬度由于質(zhì)量效應(yīng)的原因影響冷卻速度造成棒料直徑不同，對應(yīng)數(shù)值可通過查圖9淬透性圖來獲得。端淬試驗時雖然用水冷卻但只是在試棒端面噴水冷卻與整體水淬冷卻是完全不一樣的，整體水淬時棒料中心硬度淬到相同硬度值時對應(yīng)棒料半徑R=φ/2與端淬試驗時相等硬度的位置J不相等。不少研究者作了這方面的試驗研究，總結(jié)出這幾個指定部分與端淬試驗指定點冷速相同時，指定點至水冷端的距離（J）與圓棒直徑（φ）的對應(yīng)關(guān)系，如圖10所示。

圖9 鋼材的淬透性

7. 冷卻過程控制

淬火油選定后，還需要注意淬火過程控制參數(shù)。淬火油通常是根據(jù)材料相變特性和導(dǎo)熱特性以及淬火件的技術(shù)要求，有時還需要進行試驗驗證而事先選擇的，供需雙方制訂技術(shù)協(xié)議約定淬火油的技術(shù)參數(shù)。淬火油使用溫度影響介質(zhì)黏度和流動性及淬火油溶質(zhì)的附著狀態(tài)，從而影響淬火油與工件的熱交換和冷卻速度。淬火冷卻介質(zhì)運動狀態(tài)影響的是淬火油的烈度和溫度均勻性。淬火過程時間不僅指總冷卻時間，而且精準(zhǔn)的是指通過相變區(qū)特性點的冷卻時間，即冷卻過程中淬火油蒸汽膜階段、沸騰階段、對流階段三個熱交換過程的時間轉(zhuǎn)換點和鋼材等溫轉(zhuǎn)變圖最不穩(wěn)定點及馬氏體轉(zhuǎn)變點的時間是否基本能夠匹配。這些時間階段是由理論計算并經(jīng)試驗驗證而確定的。

材料和淬火冷卻介質(zhì)已經(jīng)確定的情況下，冷卻過程控時浸淬系統(tǒng)是在冷卻過程中按照時間階段進行控制的裝置。現(xiàn)場控制的主要手段是調(diào)整控制油量和裝爐量，控制攪拌強度使工件在淬火冷卻的各個階段獲得不同的冷卻速度，例如在淬火初始階段攪拌速度最大，在接近馬氏體轉(zhuǎn)變點時，攪拌速度降到最小。冷卻過程的時間和攪拌速度是由計算機控制的。零件的重量、尺寸、結(jié)構(gòu)、裝爐量、油量及檢測點位置都對冷卻速度產(chǎn)生影響，要求嚴(yán)格時還需要對淬火油三個階段特性作進一步微調(diào)以適應(yīng)不同零件的具體要求，精準(zhǔn)的控制需要由試驗驗證。控時浸淬系統(tǒng)已在生產(chǎn)中得到應(yīng)用。

圖10 相同冷速條件下圓棒指定點至水冷端距離與圓棒直徑的關(guān)系

表2 影響零件冷卻速度的各種因素的比較

零件實際冷卻速度還受到零件大小、結(jié)構(gòu)、重量、厚薄、裝爐量、油量相對量、零件與油接觸面積等其他因素的影響（見表2）。所有這些因素對于冷卻速度的影響都沒有理論公式計算，只能進行定性分析，用試驗進行驗證得到數(shù)據(jù)化的定量結(jié)果。國內(nèi)外有些模似計算軟件本質(zhì)上是根據(jù)大量試驗數(shù)據(jù)分析后建立數(shù)學(xué)模型而統(tǒng)計出來的經(jīng)驗公式，而并不是根據(jù)熱處理微觀機理按照熱力學(xué)原理推導(dǎo)進行的計算，有些采用了熱力學(xué)原理進行的計算也由于實際邊界條件的不確定而采用理想狀態(tài)默認(rèn)理想條件進行計算，這些軟件公式都有很大的參考作用，但也有一定的局限性。

8. 淬火油的綜合要求

淬火油的質(zhì)量從技術(shù)條件來講，要求在珠光體轉(zhuǎn)變和貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間有足夠的冷卻速度。淬火油對流階段的特性溫度要高于奧氏體不穩(wěn)定區(qū)，即在開始馬氏體轉(zhuǎn)變溫度之上。在淬火冷卻高溫階段，工件內(nèi)只有熱應(yīng)力。如果熱應(yīng)力值大于奧氏體的屈服強度，就容易引起塑性變形。在熱應(yīng)力不超過奧氏體屈服強度的條件下，冷卻速度可以盡量快。到了淬火冷卻的中溫階段（Ms點以上），過冷奧氏體強度高，不容易發(fā)生塑性變形。對流階段開始的溫度高，這樣在低溫階段即開始馬氏體轉(zhuǎn)變以后的冷卻速度比較緩慢。待冷到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍，過快的冷卻速度會產(chǎn)生過大的組織應(yīng)力，可能引起工件變形甚至開裂，所以在馬氏體轉(zhuǎn)變期間冷卻速度應(yīng)慢一些。在不同溫度范圍內(nèi)冷卻速度都會影響零件殘余應(yīng)力狀態(tài)。采用合理的淬火冷卻介質(zhì)及攪拌速度可使零件冷卻均勻，減少淬火應(yīng)力。

正是由于淬火油具有這樣的特性，對于各種合金鋼的淬火和薄壁碳鋼零件的淬火是很合適的，盡管有環(huán)境污染、安全隱患大、成本高等不可忽視的缺點，還是得到了廣泛的應(yīng)用。淬火油還必須考慮其他涉及安全、環(huán)保、性能穩(wěn)定、不易老化、經(jīng)濟成本方面的要求。淬火油比較重要的常規(guī)檢測項目運動黏度既可以影響產(chǎn)品質(zhì)量也會影響成本。這些要求必須符合國家標(biāo)準(zhǔn)及用戶特殊的合理要求。

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