淬火应变原因分析

吕 扬

(中国一重铸锻钢事业部热处理厂，黑龙江161042)

淬火应变的出现涉及3个阶段：一是加热(基于内应力的消除)；二是保温(自重下垂，即下垂弯曲)；三是冷却(基于不均匀的冷却和相变)。这3个阶段互相叠加最终导致零件的淬火应变。

表1列出了不同热处理方法产生淬火应变的主要原因。图1为淬火变形说明图。

表1 淬火应变的主要原因Table 1 Main cause of quenching strain

1 淬火应变原因分析

1.1 组织

通常尺寸变化是由组织变化引起的，即由相变引起的膨胀和收缩造成的。淬火生成马氏体时发生膨胀；而生成残余奥氏体时发生收缩，而且有多少残余奥氏体就产生多少收缩。进行回火时，一般是收缩，但显示二次回火硬化的合金钢则为膨胀。另外，进行冷处理时残余奥氏体的马氏体化发生膨胀从而引起尺寸变化，这些组织的比容随着含碳量的增加而增加，含碳量越多，尺寸变化也越大。

图1 淬火变形说明图Figure 1 Illustration of quenching deformation

1.2 材质

由淬火引起的尺寸变化(广义为淬火应变)随钢的材质不同而异，图2给出了水淬和油淬所引起的尺寸变化与材质化学成分之间的关系。由图2可知，P、Mo、Cr、C和Mn对尺寸变化影响很大，而Si和Ni对尺寸变化影响较小，量具刃具钢SKS3和SKS31(W-Gr-Mn工具钢)是淬火变形小的钢，甚至被称为是不发生淬火应变的钢。其次钢的塑性流线对淬火尺寸变化有很大影响，沿着塑性流线的方向，即在纵向上尺寸变化大；与纵向垂直的方向，即横向上尺寸变化小。因此取材时必须注意与其塑性流线方向一致。另外，碳化物的线状偏析对尺寸变化也有影响。

(a)水淬

(b)油淬图2 化学成分与尺寸变化的关系Figure 2 Relationship between chemical composition and size change

1.3 淬火

1.3.1 仅有组织变化引起的尺寸变化

钢件进行淬火时，有各种组织变化，这些组织变化引起尺寸变化，即从奥氏体组织转化为马氏体组织(完全淬火)时零件的尺寸变化(膨胀)最大；当奥氏体组织转变为贝氏体组织时，尺寸变化约为上述的1/3；当其转变为珠光体组织(退火)时约为上述的1/4。还有，由马氏体化而产生的膨胀随钢的含碳量的增加而增大。

1.3.2 残余奥氏体的影响

由于淬火的作用，哪怕有少量奥氏体残留下来，也会相应地减少由膨胀所致的尺寸变化。因此，少量残余奥氏体的存在导致尺寸改变的减少，然而残余奥氏体的存在会使淬火硬度降低，在常温中放置会发生时效变形。

1.3.3 未固溶碳化物的影响

在淬火加热时，碳化物固溶于奥氏体中越少，换而言之，残余碳化物越多，尺寸变化就越小。残余碳化物本身如形态、种类的变化不引起体积变化，所以与尺寸变化毫无关系。

1.3.4 冷处理的影响

施行冷处理时，残余奥氏体减少，马氏体增多，所以产生膨胀性尺寸变化。

1.4 回火

1.4.1 马氏体的分解

回火引起的马氏体分解，是造成收缩性尺寸变化的原因。该尺寸变化量随马氏体的含碳量而变化，马氏体的含碳量越高，尺寸变化越大。但是若以淬火前的状态为基准，经过淬火、回火后的综合尺寸变化最终仍然是膨胀性的。

1.4.2 未固溶碳化合物的影响

如有未固溶碳化合物的话，马氏体的含碳量减少，且碳化合物本身对尺寸变化无影响，所以回火第一阶段(200℃以下的回火)的尺寸变化是收缩性的。

1.4.3 残余奥氏体的影响

如有残余奥氏体存在，回火引起的尺寸变化小。当回火温度在200℃以上，残余奥氏体向贝氏体转化，造成膨胀性的尺寸变化。因此，回火初期(200℃以下)残余奥氏体使尺寸收缩。在该温度以上，提高回火温度，残余奥氏体的分解会造成膨胀性的尺寸变化。

1.5 合金钢

合金钢内的碳化物中往往固溶特殊元素，但其比容可以说几乎不变。因此，对待合金钢的方法与上述想法相同。只不过残余奥氏体的量是按合金元素的种类和量的不同而变化的；还有碳化物的量也在变化，所以必须考虑尺寸变化。

2 如何减少尺寸变化

尺寸变化是淬火和回火后组织变化而引起的现象，因此完全消除尺寸变化是不可能的，只有依靠热处理方法减小它。

(1)膨胀是马氏体引起的，收缩是残余奥氏体引起的，所以要减少马氏体的量和固溶于马氏体的含碳量，还应使残余奥氏体的量增多，但是必须注意，残余奥氏体增多，会导致时效变形。

(2)使未固溶碳化物(残余碳化物)增多。

(3)用马氏体以外的其它组织使钢硬化，其中最好是利用贝氏体组织。50%的贝氏体加50%的马氏体组织的钢的尺寸变化较小。

(4)应进行回火处理。

3 结语

综上所述，做好淬火应变的原因分析，做好相应的应对措施，对控制尺寸及形状变形至关重要。