“零保温淬火”热处理工艺探讨

周　军

所谓零保温淬火，就是指工件加热时，其表面和心部达到淬火加热温度后，不需保温，立即淬火冷却的热处理工艺。与现行的淬火工艺相比，“零保温”淬火省去了工件透热和完成组织转变所需要的保温时间，不仅能节约能源，提高劳动生产率，还可以减少或消除工件在保温过程中产生的氧化、脱碳等缺陷，有利于产品质量的提高。

一、理论探讨

在大多数热处理工艺中，钢的加热目的主要是获得奥氏体组织。了解奥氏体化过程，有助于分析加热工艺的制定。

1．奥氏体化过程

奥氏体 A形成必须要有一定的过热度△T，提供相变驱动力△G。共析钢 P在加热温度大余等于Ac1时，转化为奥氏体A。奥氏体的形成实质就是体心立方晶格改组成面心立方晶格的同素异构转变，须进行铁原子和碳原子的迁徙。奥氏体的形成既发生相变，也伴随着原子的扩散，即在相变的同时，碳原子由渗碳体-奥氏体-铁素体扩散。

其转化可分为以下四个阶段（有五个图为什么是四个阶段？¬¬建议与作者核实）：① A形核 ②A晶核长大 ③残余Fe3C溶解 ④ A均匀化。在铁素体F和渗碳体 Fe3C两相界面上形核后，向F和Fe3C两个相界面推移，F晶格重构成面心立方，而Fe3C具有复杂晶体结构，不能直接通过晶格的改组进行，只能通过渗碳体的分解、溶入奥氏体来实现。重构速度比Fe3C溶解速度快，所以F先溶解，剩余Fe3C通过C原子扩散，从而使A均匀化。对于亚共析钢其平衡组织为铁素体+珠光体，奥氏体化过程分两个阶段进行：第一阶段是加热到略高于Ac1温度时珠光体转变成奥氏体；第二阶段是在Ac1-Ac3温度区间升温过程中铁素体向奥氏体的转变。过共析钢也有第二相的存在（渗碳体），渗碳体的分解、溶入，完全奥氏体化时晶粒已显著长大。

2．加热工艺

奥氏体形成的各个阶段所需的时间是不同的。形核和长大阶段的时间较短，残余渗碳体的溶解较长、奥氏体均匀化的时间更长。加热工艺的确定须充分考虑加热温度、加热时间、加热速度和加热方式。加热时通常是三段式操作：升温、均温、保温。保温的目的一方面是使工件内外匀温，而更重要的是保证奥氏体形成过程中碳化物的溶解及奥氏体的均匀化。原则上升温时间应指整个工件都达到加热温度所需要的时间，但是由于难以确定工件心部究竟何时到温，一般都以加热开始到工件表面到温所需的时间作为升温时间，并以此作为保温时间的开始。在传统工艺计算时间：T=K*A*D式中的T为加热时间，K为装炉系数，A为加热系数，D为工件有效厚度，其实我们在实际生产中，一般是根据以往工作经验和工件有效厚度来计算保温时间。

二、工艺分析

１．保温时间是否真的为“零”

这里要认清两个时间概念。

（１）均温时间。它是指炉膛内的各处温度均匀化的时间；炉膛温度和加热件的表面温度均匀化时间。

（２）保温时间。它是指使加热件从外到里都达到需要的温度（包括组织转变、固溶、重结晶、均匀化等等）的时间。从其工艺来看，现行的工艺保温时间一般是从工件表面到温时才开始计算，从“零保温”工艺表述中，可知是把工件表面温度和心部温度都到达加热温度算升温时间。与现行工艺比较起来，这加热过程包括均温时间和部分保温时间。也就是说，实际上保温时间不为零，只是短而已。

２．奥氏体均匀化过程是否真的能省掉

从奥氏体化过程来看，如果碳溶解不均匀将会影响工件的性能。奥氏体化从传热学角度来看：凡属“薄件”的工件，当其表面到温后，其心部的温度与表面温度相差很小；从金属学的角度来看，一般钢材的奥氏体化时间很短，因此对许多零件的加热，不必额外增加保温时间。试验结果表明，结构钢淬火及正火加热采用“零保温”或短时间保温是完全可行的。特别是45？、45Mn2这样的碳素结构钢或单元素合金结构钢，采用“零保温”工艺可以保证其力学性能要求。当炉温已达到工艺设定值时，也就是说工件表面已达到工艺温度值时，工件已透烧了，不要再额外增加保温时间了，这就是常说的“零”保温加热。既在这过程中，工件的奥氏体化已经完成或接近全部完成。

３．零保温工艺的适用有限制吗？

合金元素对钢加热的影响主要表现在两个方面：一是合金元素对奥氏体形成速度的影响；二是合金元素对晶粒长大的影响。我们主要分析第一点，大部分合金元素阻碍碳在钢中的扩散，减慢奥氏体的形成速度，而且合金碳化物溶人奥氏体的更难，需要更高的温度；合金元素在奥氏体中的扩散速度极慢，且碳的扩散速度也因合金元素的加入而变慢。同时保温时间更主要的和加热件的导温、导热系数有关，即加热件物性起了主要作用，在均温后是物性决定了时间的长短。故合金钢加热保温时间要比碳钢长得多，才能使奥氏体充分均匀化。合金结构钢（40Cr,35CrMo,42CrMo）等，因其材料中添加了一些合金元素，在加热过程中我们要使在碳化物均匀化需要一定的时间，对于40CrNiMo等多元素合金结构钢，零保温处理其力学性能也并不坏，完全符合指标要求，但若为了性能可靠、稳定，可选用5分钟短时保温。因此“零保温”淬火工艺主要反应在碳素钢和低合金钢上，这是由于碳素钢没有合金元素和碳化物，不须长时间保温均匀奥氏体化过程。低合金钢因其传热系数与碳素钢基本类似，所以相对碳素钢来说就要多一点时间，一般我们也要在传统工艺时间上的60%～80%左右，这样做可以缩短钢件在高温加热时间，变形量也相对减少一点，奥氏化晶粒相对较细小，淬火后可得到细小马氏体组织，其机械性能也就得到一定的提高，这也是我们热处理工作者想要达到的效果。

三、概括总结

第一，“零保温”工艺的保温时间并不为零，只是保温时间很短。

第二，“零保温”工艺主要适用一般碳素钢和低合金钢的热处理。对于高碳钢、合金钢要相应增加保温时间，使奥氏体均匀化。

第三，在实际生产过程中，要根据实际情况来合理安排保温时间。单纯追求“零保温”会适得其反。

（作者单位：广东省中山技师学院）