鋼件淬火后均要進行回火處理，工件的各種力學性能不是由淬火直接獲得，而是通過回火調理智取，所以回火是熱處理過程中一道十分重要的工序，同時又是一道周期長、能耗高的工序，為了節(jié)能，熱處理同仁做了大量工作，取得了不少成果，現(xiàn)在簡介節(jié)能回火的點滴工藝，有一定的局限性，僅供參考。回火是受擴散控制的，組織轉變不僅取決于溫度，也取決于時間。二者相比，溫度是第一位的，時間是第二位的，但絲毫不能小視時間的作用，因為矛盾在一定的條件下會發(fā)生轉換。有一些轉變到一定溫度才發(fā)生，如殘留氏體的分解要在200℃以上，Fe3C碳化物的析出要在400℃以上，鐵素體的再結晶要在600℃以上等等，都表明了回火溫度的決定性影響。但所有的回火轉變都可以在一定溫度范圍內發(fā)生，在該范圍內，較低溫度長時間與較高溫度短時間發(fā)生的組織轉變可能有相同的效果，這就為高溫回代替低溫回提供了理論依據(jù)。碳鋼和低合金鋼的回火常分為低溫、中溫、高溫回火三類。回火溫度在Ac1以上的高溫回火法則沒有低、中、高溫之分。其選擇原則是短時高溫回火和長時間低溫回火達到相的組織和力學性能。圖1是T8Mn鋼淬火后不同回火溫度、回火時間對硬度的關系圖，時間以對數(shù)坐標表示，在大部分時間范圍內硬度變化接近手直線，鋼的回火時間在10s以內時，回火后的硬度即發(fā)生快速變化，在1～10min時，硬度變化相對較慢，但變化仍然很大，而在1～2h內變化較小。
由圖1可以發(fā)現(xiàn)，無論是低溫、中溫、高溫回火，硬度的變化都是在極短時間內完成的，時間越長變化越緩慢，高溫快速回火正是根據(jù)這一現(xiàn)象提出的。
圖1 淬火鋼的回火溫度及時間對硬度的影響
回火過程中馬氏體的分解需要很大的激活能，據(jù)計算，馬氏體分解激活能為4.1868×33000J/mol，因此，馬氏體在室溫下是相當穩(wěn)定的。有人做過試驗，在室溫下放置6年多，淬火馬氏體才半分解。要節(jié)能必須縮短回火時間提高回火溫度，以便使激合能高的馬氏體，在高溫短時間內快速分解，從而獲得滿意的力學性能。具體表達式為：
式中T——回火時間，s；
Ks——回火時間基數(shù)，s；
As——回火時間系數(shù)，s/mm；
D——工件的有效厚度或直徑，mm。
例如，45鋼在860℃溫度快速回火時，選Ks=30s、As=0.3、D＝10mm，則T＝30+0.3×10＝33（s），即回火時間為33s，回火后硬度為52HRC，若用傳統(tǒng)的200℃×（1～1.5）h回火，回火后的硬度也是52HRC。
表1是75Mn鋼（0.75%、0.72%Mn或T8Mn）當回火參量不變時，采用不同回火溫度和保溫時間回火后的硬度和力學性能對照表。
表1 回火溫度和回火時間對75Mn鋼力學性能的影響
表1數(shù)據(jù)說明，提高回火溫度，縮短保溫時間，不但可以得到相同的硬度，而且力學性能相差無幾。采用適當提高回火溫度、縮短保溫時間 的快速回火方法，可以在保證產(chǎn)品質量的前提下，達到可觀的節(jié)能效果。例如45鋼的軸，要求調質硬度25～30HRC，將回火溫度度提高20℃，可使保溫時間減少約60%，其表面硬度和截面金相組織均與常規(guī)回火相同，但節(jié)電20%～25%。快速回火是把已淬過火的工件直接放入加熱爐中短時加熱后急冷或緩冷，而達到回火目的的一種特殊回火工藝。在變溫條件下，回火參量可以根據(jù)回火溫度與回火時間的瞬時變化關系積累計算。
式中P——回火參量；
Pt——相應第i個1/n時間內的回火參量。
工件在淬火爐中快速回火，實質上是在加熱過程的變溫條件下完成回火轉變的，它不需要專門的回火爐，只利用淬火爐的工作間隙即可進行回火。這種工藝方法無普遍性，只是在特定條件下使用。實踐證明，用碳鋼和低合金鋼制作的截面不大的工件，在淬火爐中快速加熱回火與常規(guī)回火具有相近的力學性能。表2為φ50mm的40Cr鋼的試驗數(shù)據(jù)。在淬火爐中進行快速回火的工藝參數(shù)與淬火件的材料、形狀尺寸、硬度要求、淬火爐型及爐溫有關，當這些已選定或為已知時，則主要工藝參數(shù)為時間，而快速加熱回火是在加熱過程中完成的回火，加熱時工件溫度的變化率和瞬時達到的溫度都對回火效果有著直接的影響。因此，不宜用加熱系數(shù)來計算快速回火的加熱時間。表3為不同直徑的45鋼淬火件，當硬度要求為40～45HRC時，在800℃鹽浴中所需的回火時間及由回火時間除以工件有效直徑所得的加熱系數(shù)。
表2 40Cr鋼調質回火工藝對力學性能的影響
回火規(guī)范 力學性能 | σb /MPa | σs/MPa | δ（%） | ψ（%） | αk/J·cm-2 | 回火后硬度HRC |
表面 | 中心 |
860℃淬油，610℃×3.h電爐回火后，油冷 | 734 | 688 | 21.2 | 59.4 | 113 | 24～27 | 21～23 |
860℃淬油，840℃×6.5min鹽浴爐回火后油冷 | 791 | 720 | 19.8 | 61.3 | 121 | 24～27 | 21～23 |
表3 45鋼在800℃鹽浴中快速回火的工藝參數(shù)
從表3可知，對于材料和淬火后刀光劍影工要求完全相同的工件，由于尺寸不同，其加熱系數(shù)也不一樣，有的甚至相差好幾倍。因此有些書本上推薦的快速回火的數(shù)據(jù)并不可靠，最好是自己親自試驗，有些單位經(jīng)反復試驗，得出了結構鋼在淬火爐中快速回火的經(jīng)驗公式，可供參考。
式中 T——加火加熱時間，s；
K——工件形狀尺寸系數(shù)；
D——工件的有效直徑（厚度），mm。
45鋼在800℃鹽浴中快速回火的形狀尺寸系數(shù)見表4。
表4 45鋼制工件在800℃鹽浴中快速回火形狀尺寸系數(shù)
值得注意的是，當爐溫發(fā)生變化時，加熱時間也應跟著變，大致的規(guī)律是，每變化10℃，加熱時間要相應增減8%～10%。圖2是兩種高速鋼高溫回火溫度和保溫時間的關系，供選擇回火工藝參考。其中I區(qū)內任何一點的回火溫度與時間的搭配，均可使工具達到常規(guī)回火效果。
（a）W6Mo5Cr4V2（1220℃加熱淬火）（b）W6Mo5Cr4V2Co5（1215℃加熱淬火）
圖2 高溫回火時間回火溫度與保溫時間的關系
手用絲錐一般用9SiCr、GCr15鋼制造，少數(shù)廠家用T12A，刃部硬度要求61～64HRC，方尾柄部要求40～50HRC。由于方尾只有幾毫米長，淬火加熱時全部入液，刃柄一起硬化。淬火后裝入合適的夾具中，方尾部分入600℃的硝鹽中快速加熱40～80S（根據(jù)具體規(guī)格而定），硬度正好落在工藝要求范圍內。最后施以180～200℃×2h回火。某自動車上使用的彈簧夾頭如圖3所示，材質為60Si2Mn，此材料硬度在40～45HRC時有很好的彈性，硬度＞55HRC時有良好的耐磨性。因此，將夾頭柄部的硬度定為40～45HRC，夾頭硬度定為55～60HRC是比較切合實際的。通過淬火+低溫回火，可以保證工件整體硬度≥56HRC，然后再在硝鹽中高溫局部快速回火。快速回火時要注意對過渡區(qū)的控制，通過專用夾具，保證夾頭過渡區(qū)下部10mm浸在硝鹽中，回火時間同硬度的關系見表5。
圖 3 彈簧夾頭結構示意
表5 彈簧夾頭高溫快速回火時間同硬度的關系
回火溫度 540～560℃ | 回火時間/s | 柄部硬度HRC | 頭部硬度HRC |
30 | 52～55 | 58～61 |
50 | 48～51 | 58～60 |
70 | 44～47 | 57～59 |
90 | 42～44 | 57～59 |
上述快速回火工藝，滿足了同一工件不同部位不同硬度要求的技術規(guī)范，在現(xiàn)實生產(chǎn)中很有經(jīng)濟意義。高速鋼回火應達到最佳的二次碳化物析出，殘留奧氏體充分分解和徹底消除殘余應力三大目的。通過高速鋼（HSS）的回火二次硬化峰值溫度在550℃左右，研究發(fā)現(xiàn)，二次硬化峰的位置與回火保溫時間有一定的關系。圖4為回火保溫時間的延長，硬化峰的位置向低溫方向移動。反之，回火溫度的升高，可以縮短保溫時間，正是基于這種原因，高溫短時節(jié)能回火才得以實現(xiàn)。
圖4 高速鋼回火溫度和時間與硬度的關系
回火溫度與回火保溫時間的關系，可以用回火參量來表示，其表達式如下：
式中P——回火參量；
t——回火溫度；
τ——回火時間。
盡管回火溫度、回火的保溫時間有所不同，只要回火參量相同，回火的效果就相當。國內有的工具廠在單件加熱或生產(chǎn)自動線上回火時，就采用580℃×20min或600℃×10min快速回火。前蘇聯(lián)曾介紹過一種高速鋼熱處理新工藝——在淬火過程中回火。這個方法規(guī)定：①工具加熱到常規(guī)的淬火溫度。②工具冷卻到50～120℃，即低于Ms點。這時，馬氏體轉變的體積變化比冷卻到20℃的普通方法約小3/5。③在50～120℃保持1～3min，加熱到600℃（對φ3mm的P6M5鋼）和630℃（對于P9M4K8鋼）并保持10～30min。④空冷到室溫。此快速回火工藝大大縮短刀具生產(chǎn)周期，并能提高鋼的性能，還能減少刀具熱處理畸變。此工藝方法對于尺寸不大的切削刀具和形狀復雜的模具效果最好。紅硬性是高速鋼刀具重要的性能，以前測量往往要25h以上，現(xiàn)在采用快速回火便捷多了。其方法有兩種：①在675℃的鹽浴中加熱20min，出爐后冷至20℃以下，平磨后測其硬度，硬度越高標明抗回火性越好，則紅硬性越高。②625℃×2h后磨平測硬度，經(jīng)驗證明，高性能高速鋼按此工藝回火后，硬度不會低于61HRC；通過高速鋼或不按工藝操作或冒牌高速鋼肯定低于61HRC，也許625℃回火是一塊試金石，感興趣的同仁不仿一試。高溫快速回火工藝在不少領域都有應用，比如紡織機械一些調質件的快速回火、一些傳動的軸類零件，還有一些要求40～50HRC硬度的結構件等，采用高溫快速回火工藝，效果都非常好，節(jié)能環(huán)保，很有發(fā)展?jié)摿Α?/span>高溫快速回火法有省時、節(jié)電的優(yōu)點，而力學性能與傳統(tǒng)常規(guī)工藝相當，且高溫回火不會產(chǎn)生脆性。碳素鋼、低合金鋼制件，采用高溫快速回火具有明顯優(yōu)勢，應大力推廣運用。
作者：趙步青、胡會峰、張日發(fā)
單位：安徽嘉龍鋒鋼刀具有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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