◆ 表面淬火
• 钢的表面淬火
有些零件在工件时在受扭转和弯曲等交变负荷、冲击负荷的作用下,它的表面层承受着比心部更高的应力。在受摩擦的场合,表面层还不断地被磨损,因此对一些零件表面层提出高强度、高硬度、高耐磨性和高疲劳极限等要求,只有表面强化才能满足上述要求。由于表面淬火具有变形小、生产率高等优点,因此在生产中应用极为广泛。
根据供热方式不同,表面淬火主要有感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火等。
• 感应加热表面淬火
感应加热就是利用电磁感应在工件内产生涡流而将工件进行加热。感应加热表面淬火与普通淬火比具有如下优点:
1.热源在工件表层,加热速度快,热效率高
2.工件因不是整体加热,变形小
3.工件加热时间短,表面氧化脱碳量少
4.工件表面硬度高,缺口敏感性小,冲击韧性、疲劳强度以及耐磨性等均有很大提高。有利于发挥材料地潜力,节约材料消耗,提高零件使用寿命
5.设备紧凑,使用方便,劳动条件好
6.便于机械化和自动化
7.不仅用在表面淬火还可用在穿透加热与化学热处理等。

• 感应加热的基本原理
将工件放在感应器中,当感应器中通过交变电流时,在感应器周围产生与电流频率相同的交变磁场,在工件中相应地产生了感应电动势,在工件表面形成感应电流,即涡流。这种涡流在工件的电阻的作用下,电能转化为热能,使工件表面温度达到淬火加热温度,可实现表面淬火。

• 感应表面淬火后的性能
1.表面硬度:经高、中频感应加热表面淬火的工件,其表面硬度往往比普通淬火高 2~3 个单位(HRC)。
2.耐磨性:高频淬火后的工件耐磨性比普通淬火要高。这主要是由于淬硬层马氏体晶粒细小,碳化物弥散度高,以及硬度比较高,表面的高的压应力等综合的结果。
3.疲劳强度:高、中频表面淬火使疲劳强度大为提高,缺口敏感性下降。对同样材料的工件,硬化层深度在一定范围内,随硬化层深度增加而疲劳强度增加,但硬化层深度过深时表层是压应力,因而硬化层深度增打疲劳强度反而下降,并使工件脆性增加。一般硬化层深δ=(10~20)%D。较为合适,其中D。为工件的有效直径。

◆ 退火工艺
退火是将金属和合金加热到适当温度,保持一定时间,然后缓慢冷却的热处理工艺。退火后组织亚共析钢是铁素体加片状珠光体;共析钢或过共析钢则是粒状珠光体。总之退火组织是接近平衡状态的组织。
• 退火的目的
①降低钢的硬度,提高塑性,以利于切削加工及冷变形加工。
②细化晶粒,消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷,均匀钢的组织和成分,改善钢的性能或为以后的热处理作组织准备。
③消除钢中的内应力,以防止变形和开裂。

• 退火工艺的种类
①均匀化退火(扩散退火)
均匀化退火是为了减少金属铸锭、铸件或锻坯的化学成分的偏析和组织的不均匀性,将其加热到高温,长时间保持,然后进行缓慢冷却,以化学成分和组织均匀化为目的的退火工艺。
均匀化退火的加热温度一般为Ac3+(150~200℃),即1050~1150℃,保温时间一般为10~15h,以保证扩散充分进行,大道消除或减少成分或组织不均匀的目的。由于扩散退火的加热温度高,时间长,晶粒粗大,为此,扩散退火后再进行完全退火或正火,使组织重新细化。

②完全退火
完全退火又称为重结晶退火,是将铁碳合金完全奥氏体化,随之缓慢冷却,获得接近平衡状态组织的退火工艺。
完全退火主要用于亚共析钢,一般是中碳钢及低、中碳合金结构钢锻件、铸件及热轧型材,有时也用于它们的焊接构件。完全退火不适用于过共析钢,因为过共析钢完全退火需加热到Acm以上,在缓慢冷却时,渗碳体会沿奥氏体晶界析出,呈网状分布,导致材料脆性增大,给最终热处理留下隐患。
完全退火的加热温度碳钢一般为Ac3+(30~50℃);合金钢为Ac3+(500~70℃);保温时间则要依据钢材的种类、工件的尺寸、装炉量、所选用的设备型号等多种因素确定。为了保证过冷奥氏体完全进行珠光体转变,完全退火的冷却必须是缓慢的,随炉冷却到500℃左右出炉空冷。

③不完全退火
不完全退火是将铁碳合金加热到Ac1~Ac3之间温度,达到不完全奥氏体化,随之缓慢冷却的退火工艺。
不完全退火主要适用于中、高碳钢和低合金钢锻轧件等,其目的是细化组织和降低硬度,加热温度为Ac1+(40~60)℃,保温后缓慢冷却。

④等温退火
等温退火是将钢件或毛坯件加热到高于Ac3(或Ac1)温度,保持适当时间后,较快地冷却到珠光体温度区间地某一温度并等温保持,使奥氏体转变为珠光体型组织,然后在空气中冷却的退火工艺。
等温退火工艺应用于中碳合金钢和低合金钢,其目的是细化组织和降低硬度。亚共析钢加热温度为Ac3+(30~50)℃,过共析钢加热温度为Ac3+(20~40)℃,保持一定时间,随炉冷至稍低于Ar3温度进行等温转变,然后出炉空冷。等温退火组织与硬度比完全退火更为均匀。

⑤球化退火
球化退火是使钢中碳化物球化而进行的退火工艺。将钢加热到Ac1以上20~30℃,保温一段时间,然后缓慢冷却,得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织。
球化退火主要适用于共析钢和过共析钢,如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢等。这些钢经轧制、锻造后空冷,所得组织是片层状珠光体与网状渗碳体,这种组织硬而脆,不仅难以切削加工,且在以后淬火过程中也容易变形和开裂。而经球化退火得到的是球状珠光体组织,其中的渗碳体呈球状颗粒,弥散分布在铁素体基体上,和片状珠光体相比,不但硬度低,便于切削加工,而且在淬火加热时,奥氏体晶粒不易长大,冷却时工件变形和开裂倾向小。另外对于一些需要改善冷塑性变形(如冲压、冷镦等)的亚共析钢有时也可采用球化退火。
球化退火加热温度为Ac1+(20~40)℃或Acm-(20~30)℃,保温后等温冷却或直接缓慢冷却。在球化退火时奥氏化是“不完全”的,只是片状珠光体转变成奥氏体,及少量过剩碳化物溶解。因此,它不可能消除网状碳化物,如过共析钢有网状碳化物存在,则在球化退火前须先进行正火,将其消除,才能保证球化退火正常进行。
球化退火工艺方法很多,最常用的两种工艺是普通球化退火和等温球化退火。普通球化退火是将钢加热到Ac1以上20~30℃,保温适当时间,然后随炉缓慢冷却,冷到500℃左右出炉空冷。等温球化退火是与普通球化退火工艺同样的加热保温后,随炉冷却到略低于Ar1的温度进行等温,等温时间为其加热保温时间的1.5倍。等温后随炉冷至500℃左右出炉空冷。和普通球化退火相比,球化退火不仅可缩短周期,而且可使球化组织均匀,并能严格地控制退火后的硬度。

⑥再结晶退火(中间退火)
再结晶退火是经冷形变后的金属加热到再结晶温度以上,保持适当时间,使形变晶粒重新结晶成均匀的等轴晶粒,以消除形变强化和残余应力的热处理工艺。

⑦去应力退火
去应力退火是为了消除由于塑性形变加工、焊接等而造成的以及铸件内存在的残余应力而进行的退火工艺。
锻造、铸造、焊接以及切削加工后的工件内部存在内应力,如不及时消除,将使工件在加工和使用过程中发生变形,影响工件精度。采用去应力退火消除加工过程中产生的内应力十分重要。
去应力退火的加热温度低于相变温度A1,因此,在整个热处理过程中不发生组织转变。内应力主要是通过工件在保温和缓冷过程中消除的。为了使工件内应力消除得更彻底,在加热时应控制加热温度。一般是低温进炉,然后以100℃/h左右得加热速度加热到规定温度。焊接件得加热温度应略高于600℃。保温时间视情况而定,通常为2~4h。铸件去应力退火的保温时间取上限,冷却速度控制在(20~50)℃/h,冷至300℃以下才能出炉空冷。

◆ 正火工艺
正火工艺是将钢件加热到Ac3(或Acm)以上30~50℃,保温适当的时间后,在静止的空气中冷却的热处理工艺。把钢件加热到Ac3以上100~150℃的正火则称为高温正火。
对于中、低碳钢的铸、锻件正火的主要目的是细化组织。与退火相比,正火后珠光体片层较细、铁素体晶粒也比较细小,因而强度和硬度较高。
低碳钢由于退火后硬度太低,切削加工时产生粘刀的现象,切削性能差,通过正火提高硬度,可改善切削性能,某些中碳结构钢零件可用正火代替调质,简化热处理工艺。
过共析钢正火加热刀Acm以上,使原先呈网状的渗碳体全部溶入到奥氏体,然后用较快的速度冷却,抑制渗碳体在奥氏体晶界的析出,从而能消除网状碳化物,改善过共析钢的组织。
焊接件要求焊缝强度的零件用正火来改善焊缝组织,保证焊缝强度。
在热处理过程中返修零件必须正火处理,要求力学性能指标的结构零件必须正火后进行调质才能满足力学性能要求。中、高合金钢和大型锻件正火后必须加高温回火来消除正火时产生的内应力。
有些合金钢在锻造时产生部分马氏体转变,形成硬组织。为了消除这种不良组织采取正火时,比正常正火温度高20℃左右加热保温进行正火。
正火工艺比较简便,有利于采用锻造余热正火,可节省能源和缩短生产周期。
正火工艺与操作不当也产生组织缺陷,与退火相似,补救方法基本相同。
淬火工艺、淬火剂的究研
在制作刀具的工艺中,我认为淬火工艺是最复杂和难以控制的。淬火工艺之所以复杂是因为淬火时要得到马氏体,冷却速度就必须大于临界冷却速度,而快速冷却又难免引起较大的内应力,往往造成刀体的变形或开裂,或者使刀的韧性降低,在使用的过程中刃口容易崩裂。如果冷却速度小于临界速度,淬火后就得不到马低体,刀刃的硬度、耐磨性和锋利度又不足。因此,淬火时,冷却速度必须恰到好处,既要保证得到马氏体又要减小变形、防止开裂、保持韧性,这是淬火工艺上最主要的问题。
     第一、为了满足上述要求,我们首先必须掌握钢淬火时最理想的冷却速度。从过冷奥氏体的等温转变曲线坐标图我们可以知道,过冷奥氏体在650—500度的范围内转变的速度是最快的,高于这个温度范围和低于这个温度范围,过冷奥氏体都比较稳定,转变速度稍微缓慢。所以淬火时要得到马氏体,并不需要在整个冷却过程中快速冷却,而是在650—500度之间快速冷却,在650度以上可以冷却得慢一点,减少刀体内外温差所引起的热应力,在300度以下又可以冷却得慢一点,避免奥氏体向马氏体转变过程有先后,引起过大的组织应力(在300度以下,钢的塑性小,强度大,在热应力和组织应力的共同作同下,易造成变形和开裂)。综上所述,钢材理想的淬火冷却速度是:从慢(650度以上)到快(650—500度)再到慢(300度以下)的冷却过程。
      第二、 分析各种常用淬火剂的冷却能力和各自的局限性,选择合适的淬火剂和淬火方法,使淬火时钢的实际冷却速度接近理想冷却速度。
      1、 水在650-500度的冷却能力很大,很容易淬硬,但在300—150度时冷却速度仍然太快,会残存大量内应力,使刀体韧性不足,严重时淬裂。
      2、 油在300—200度的范围的冷却能力较小,不易淬裂,但在650—500度冷却能力不够大,比不上水的冷却能力,不易淬硬。
      3、 使用水、油双液淬火法使实际冷却速度接近理想冷却速度。将加热到奥氏体化后的刀先淬入水中,估计冷却到400—300度时迅速转入油中,使过冷奥氏体在油中缓慢转变到马氏体。这样既能保证得到高硬度的马氏体又能保持较好的韧性,降低内应力和防止变形、开裂,是比较理想的淬火方法。关键是在水中停留的时间要掌握好,我一般的经验是1.5秒以下,一般1秒。刀条厚度很大时适当增加水中停留时间,但不要超过1.5秒。经验不足时可以先取几条边角料做样品练习几次,检查硬度后记住最佳时间。
     4、  采用自回火的淬火方法,此法之前已经发帖讲过,在此不再赘述
      第三、自己配制的淬火剂和使用方法(待续)      淬火工艺、淬火剂的究研(二)――关于自己配制的淬火剂
     上回说到:钢材理想的淬火冷却速度是:慢(650度以上)—快(650—500度)—慢(300度以下)的冷却过程。为了使淬火时钢的实际冷却速度接近理想冷却速度,应选择合适的淬火方法和淬火剂。
常用的淬火方法有:单液淬火法、双液淬火法、分级淬火法和等温淬火法几种。我们做刀,一般情况也只能做到前面两种方法,后两种在业余条件下是很难做到的。所以我们必须通选择淬火剂来保证淬火火质量。工业上通常是用盐、碱、水玻璃、聚乙烯醇、氯化锌-碱等配制成的水溶液做成的淬火剂。这些淬火剂虽然能满足一般的淬火工艺要求,但其有强腐蚀性,不易清洗等缺点,在应用的过程中,有些需要采取保护措施,因此不适合业余条件下DIY。要适合DIY就必须简单有效。
      刚开始我想到了油水混合物,但油水混合后油浮在水上,淬火的过程就变成了先入油后入水,这样就刚好与双液淬火的顺序相反,不可取。最后我想到了平时覆土烧刃时用的黄泥,如果把黄泥均匀的搅拌到水里,效果应该和工业上的水玻璃溶液、聚乙烯醇水溶液差不多,这样的材料易得,适合DIY了,实验证明我的想法是对的。
现在我把黄泥配制的淬火剂介绍一下:
     第一种方法:把黄泥均匀搅拌到水里,浓度可以根据经验自己定,不同的钢材使用不同的浓度。不同浓度的泥水冷却速度曲线的拐点和斜率不同。因为我在配制的过程没有计量,所以现在不能给大家一个准确的数据。淬火时,把烧红的刀条在空气中却一下,估计到700度时放入配好的泥水中冷却即可。整个冷却过程就接近钢的理想冷却速度。它的原理是:先在空气中缓冷,再泥水中急冷,到达低温区时黄泥在刀表面凝结,阻碍了水的接触,使低温区的冷却速度降低。
     第二种方法:在水中放入较多的黄泥,搅拌均匀后静置一段时间,等到黄泥下沉以后可以看到黄泥和清水分成两层,调整清水层厚度为一到二公分左右(视刀体厚度而定)。淬火时把烧红的刀条在空气中却一下,估计到700度时把刀条直立放入已分层的泥水中。控制好放入的速度。此法的原理是:先在空气中缓冷,再入水急冷,最后入泥中缓冷。与第一种方法相比,在鼻温附近(约650-500度)直接入水,冷却速度更快。当第一种淬火硬度不足时用第二种方法。我用此法试淬锻后的弹簧钢板,弹性恢复很好,几乎和原装无异,硬度也足以达到做刀的要求。
单刃刀烧刃淬火的内应力分析及防止淬裂的措施
最近看到有兄弟烧刃时刀刃淬裂,使前期的辛苦劳动毁于一旦,真是痛心疾首!为了避免此类问题的发生,我想谈谈自己烧刃的一点心得,或许对一些需要帮助的朋友有所启发。
   
应力分析
      不管是哪种烧刃方法,我们的目的只有一个:那就是对刀刃进行淬火,以获得高硬度,高耐磨性;而刀身刀背不淬火,以获得良好的韧性,提高刀的抗弯、抗冲击的能力。所以,当我们把烧红的刀条放入淬火剂时,刀刃迅速冷却,尺寸收缩,此时因为刀身和刀背的温度还很高,仍然具有良好延展性和塑性,这时候由于刀刃收缩形成内应力不是很大。当刀刃冷却定形以后,刀背刀身逐渐冷却收缩,整个刀条向后弯曲变形。此时由于刀刃已经淬硬,失去塑性变形的能力,刀刃在刀背收缩应力的作用下很容易被撕裂。(淬火后得到的马氏体本身残存大量的内应力,高硬度高脆性,刀背又比刀刃厚很多,其冷却收缩过程产生的应力足以把刃口撕裂)
  防止开裂的措施
     从以上的分析可以看出,刀刃淬裂的原因不是因为刀刃冷却收缩时缩裂,而是因为刀背冷却收缩时刀条向后弯曲产生的拉应力把刀刃撕裂,一般开裂的地方主要在刀刃具有弧度转弯的地方,此处应力最集中。避免开裂的措施是利用刀背的余温及时对刀刃进行回火。我一般的做法是:对于单刃刀不用敷土烧刃,以便通过颜色判断温度。把浇红的刀条浸入入水中,刀刃向下,浸入的深度为刀条宽度的一半,有点倾斜,刀尖部分刚好浸入水中为宜,保持1~1.5秒(此时刀刃已经冷却到200度以下,而刀背还处于红色状态),迅速把刀条从水中抬起,两眼紧盯刀条冷区和热区之间的交界线,此时交界线之间会出现一条“彩虹”,在刀背剩余温度的作用下,“彩虹”向刀刃移动,当“彩虹”的金黄色区域靠近刃口时再一次把刀刃浸入水中,又迅速抬起来,仍然密切观注“彩虹”的变化,当“彩虹”继续向刃口移动时,再一次把刀刃浸入水中。总之,烧刃结束后,“彩虹”金黄色区域刚好进入刃口为最佳!实际操作过程一定要做到眼疾手快,如果回火不及时,刀刃可能淬裂,即使不裂,刀刃韧性不足,容易崩口;回火温度过高,淬不硬。不熟悉的朋友可以先随便拿几块铁板试试,看清楚了手熟练了再试刀,以免造成不必要的损失。我用这个方法处理过的轴承钢可以大力砍钢筋不卷口不崩口。效果非常令我满意。
     最后说明
一、以上方法适用于不太长的单刃刀,双刃刀暂时不讨论。
二、不同的钢材回火温度不相同,比如轴承钢为“彩虹”金黄色区域到达刃口为最佳,而弹簧钢可以蓝色接近刃口。关于回火色标温度,以后有机会再述。
三、欢迎不同见解的朋友搬砖。