淺析鋼的淬透性和淬硬性

秦征平

本溪鋼鐵集團(tuán)機(jī)械制造有限責(zé)任公司本鋼第一機(jī)修廠 遼寧 本溪 117000

引言

鋼的淬透性和淬硬性是兩個(gè)不同的概念，經(jīng)常容易混淆，在實(shí)際生產(chǎn)中又經(jīng)常用到，現(xiàn)在我對(duì)鋼材的淬透性和淬硬性從概念、各自的影響因素等方面加以分析。

1 鋼的淬透性分析

淬透性(也叫可淬性）表示鋼在淬火時(shí)能夠得到淬硬層深度的能力；能夠獲得馬氏體組織深度的能力，它是鋼材本身固有的一個(gè)屬性；鋼的淬透性由鋼的內(nèi)在因素決定（如化學(xué)成分、純凈度、晶粒度、組織均勻性等），實(shí)際上是受珠光體或貝氏體轉(zhuǎn)變?cè)杏冢ㄖ楣怏w或貝氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)TTT曲線“鼻尖”溫度的孕育期所控制）。它是指鋼在規(guī)定的條件下淬火時(shí)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的容易程度；是決定鋼材淬硬深度和硬度分布的特性，是衡量不同鋼種接受淬火能力的大小；它反映鋼的過冷奧氏體的穩(wěn)定性，即與鋼的臨界冷卻速度有關(guān)，過冷奧氏體越穩(wěn)定，臨界淬火冷卻速度越小，等溫冷卻TTT曲線越靠右側(cè)；鋼在一定條件下淬火冷卻時(shí)，淬透層越深，鋼的淬透性越好，淬硬性越好，從而決定鋼在淬火后的淬硬深度和硬度分布的特性；凡抑制珠光體或貝氏體等過冷奧氏體分解產(chǎn)物形核的諸因素均能提高鋼的淬透性，其影響淬透性規(guī)律的因素如下：

1.1 鋼的化學(xué)成分的影響

合金元素對(duì)等溫冷卻TTT曲線（又叫C-曲線）形狀位置的影響很大，一般來說除Co以外，絕大多數(shù)合金元素溶入奧氏體后使等溫冷卻TTT曲線右移，即增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性，降低鋼的臨界冷卻速度并提高鋼的淬透性，所以高碳鋼淬透性好于中碳鋼，中碳鋼淬透性好于低碳鋼，合金鋼淬透性好于碳鋼。

在不同的等溫轉(zhuǎn)變區(qū)域內(nèi)，各種合金元素對(duì)過冷奧氏體的穩(wěn)定性的影響是不同的。除鈷以外，所有的合金元素都使等溫轉(zhuǎn)變TTT曲線右移，即增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性并提高鋼的淬透性。在不同的等溫轉(zhuǎn)變區(qū)域內(nèi)，各種合金元素對(duì)過冷奧氏體穩(wěn)定性的影響是不同的。Mo、V、W、Cr、Mn、Ni等元素對(duì)推遲奧氏體到珠光體轉(zhuǎn)變的作用很大，其中Mo的作用最強(qiáng)，但對(duì)于推遲奧氏體到貝氏體的轉(zhuǎn)變，Mo不起作用；而C，Mn，Cr，Ni，Si等元素對(duì)推遲奧氏體到貝氏體轉(zhuǎn)變有較大的影響。而B是影響淬透性最突出的元素，B的含量為0.0015%時(shí)，就可以大大提高鋼的淬透性，特別是含碳量低時(shí)，B的效果更大。但超過0.007%時(shí)其影響變化不再增大。合金元素增加過冷奧氏體穩(wěn)定性的作用只有在這些元素（特別是形成碳化物的元素）溶于奧氏體時(shí)，才能充分發(fā)揮出來。否則，將由于奧氏體中存在過多的碳化物，使形成碳化物的元素在奧氏體中濃度的急劇減少，反而使過冷奧氏體的穩(wěn)定性下降，降低鋼的淬透性。這種現(xiàn)象以Ti，V，W等元素較為明顯。影響淬透性的主要元素是碳元素，鋼中碳的含量有一個(gè)臨界點(diǎn)，當(dāng)含碳量在0.8～1.2%時(shí)，鋼的淬透性最好；當(dāng)含碳量小于1.2%時(shí)，隨著奧氏體中碳濃度的提高，顯著降低臨界冷卻速度，等溫冷卻TTT曲線右移，鋼的淬透性增大；當(dāng)含碳量大于1.2%時(shí)，鋼的冷卻速度反而隨含碳量的升高而升高，等溫冷卻TTT曲線左移，鋼的淬透性下降。共析碳素鋼的過冷奧氏體相對(duì)于其他碳素鋼來說是最穩(wěn)定的。

圖1 非共析鋼和共析鋼的TTT圖比較

1.2 奧氏體化溫度的影響

提高奧氏體化溫度將使奧氏體晶粒長(zhǎng)大，奧氏體成分更均勻，從而抑制珠光體或貝氏體的形核率，降低了臨界淬火速度，可適當(dāng)提高鋼的淬透性。

1.3 鋼種未溶第二項(xiàng)的影響

鋼中未溶入奧氏體的碳化物、氮化物及其他非金屬夾雜物，由于促進(jìn)珠光體、貝氏體等相變形核，從而使鋼的淬透性降低。

1.4 鋼的原始組織的影響

鋼的原始組織中，由于珠光體的類型（片狀或粒狀）及彌散度的不同，在奧氏體化時(shí)，將會(huì)影響到奧氏體的均勻性，從而影響到鋼的淬透性。碳化物愈細(xì)小，溶入奧氏體愈迅速，從而有利于提高鋼的淬透性，粗大的奧氏體晶粒能使等溫冷卻TTT曲線右移，降低了鋼的臨界冷卻速度。但晶粒粗大將增大鋼在淬火時(shí)的變形、開裂傾向和降低韌性。在相同冷卻速度條件下，奧氏體成分越均勻，珠光體的形核率就越低，轉(zhuǎn)變的孕育期增長(zhǎng)，等溫冷卻TTT曲線右移，臨界冷卻速度減慢，鋼的淬透性越高[1]。

2 鋼的淬硬性分析

鋼的淬硬性又叫可硬性，是指鋼在理想條件下進(jìn)行淬火硬化時(shí)所能達(dá)到的最高硬度的能力，也就是淬硬層的硬度。在正常淬火條件下，以超過臨界淬火冷卻速度進(jìn)行冷卻時(shí)，所形成的馬氏體組織能夠達(dá)到的最高硬度，用淬成馬氏體可能得到的最高硬度來表示，它主要取決于馬氏體的含碳量，更確切地說，它取決于淬火加熱時(shí)固溶于奧氏體中的含碳量。馬氏體中含碳量越高，鋼的淬硬性越高，其他合金元素的影響比較小。低碳鋼的淬火最高硬度值低，淬硬性差；高碳鋼淬火最高硬底值高，淬硬性好。總之，鋼的淬硬性是用合理淬火后所能表達(dá)的最高硬度來衡量的。鋼材的淬透性和淬硬性是具有不同含義的兩個(gè)概念，二者沒有必然的聯(lián)系。鋼的淬透性取決于臨界冷卻速度的大小，取決于過冷奧氏體穩(wěn)定性；取決于奧氏體的化學(xué)成分，即奧氏體中碳及合金元素的含量；奧氏體的狀態(tài)（奧氏體成分均勻化程度、晶粒大小等）；鋼中非金屬夾雜物含量及分布等。而淬硬性主要取決于鋼的含碳量，它們之間沒有聯(lián)系。鋼的淬硬層厚度除取決于鋼淬透性外，還與淬火冷卻介質(zhì)、工件尺寸、形貌、質(zhì)量效應(yīng)等外部因素有關(guān)。其影響淬硬性規(guī)律的因素如下：

2.1 化學(xué)成分的影響

決定鋼淬硬性高低的主要因素是鋼的含碳量，而鋼中的合金元素對(duì)淬硬性影響不大。因此，含碳量相當(dāng)?shù)奶妓劁摵秃辖痄摯慊鸷螅鼈兊挠捕戎狄话阆嗖畈欢唷?/p>

2.2 熱處理過程中冷卻介質(zhì)的冷卻特性和冷卻速度的影響

在熱處理過程中，冷卻速度的快與慢大大影響鋼的淬硬性能的高低，簡(jiǎn)單來說，冷卻速度快的，淬硬性提高；冷卻速度慢的，淬硬性降低，冷卻介質(zhì)不同導(dǎo)致其冷卻速度的差異。

2.3 零件加工尺寸大小的影響

鋼材產(chǎn)品尺寸的大小也在一定程度上影響著鋼的淬透性的高低。一般情況下，同一種鋼鐵零件經(jīng)過淬火得到馬氏體組織，硬度應(yīng)該一樣，但是由于截面尺寸不同，在相同的冷卻條件下得到不同得到冷卻速度，所以工件尺寸不同，淬火得到的硬度可能不同。零件尺寸越大，質(zhì)量效應(yīng)越大，得到的冷卻速度越慢，相應(yīng)的轉(zhuǎn)變后的組織硬度越低。

鋼的淬透性取決于其臨界冷卻速度的高低，而淬硬性主要取決于鋼的含碳量，它們之間沒有必然關(guān)系。但淬硬性與淬透性成正比關(guān)系，淬硬性低的鋼其淬透性差。