鋼件淬火后均要進(jìn)行回火處理，工件的各種力學(xué)性能不是由淬火直接獲得，而是通過回火調(diào)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(shí)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(diǎn)滴工藝，有一定的局限性，僅供參考。回火是受擴(kuò)散控制的，組織轉(zhuǎn)變不僅取決于溫度，也取決于時(shí)間。二者相比，溫度是第一位的，時(shí)間是第二位的，但絲毫不能小視時(shí)間的作用，因?yàn)槊茉谝欢ǖ臈l件下會發(fā)生轉(zhuǎn)換。有一些轉(zhuǎn)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(jié)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(zhuǎn)變都可以在一定溫度范圍內(nèi)發(fā)生，在該范圍內(nèi)，較低溫度長時(shí)間與較高溫度短時(shí)間發(fā)生的組織轉(zhuǎn)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(shí)高溫回火和長時(shí)間低溫回火達(dá)到相的組織和力學(xué)性能。圖1是T8Mn鋼淬火后不同回火溫度、回火時(shí)間對硬度的關(guān)系圖，時(shí)間以對數(shù)坐標(biāo)表示，在大部分時(shí)間范圍內(nèi)硬度變化接近手直線，鋼的回火時(shí)間在10s以內(nèi)時(shí)，回火后的硬度即發(fā)生快速變化，在1～10min時(shí)，硬度變化相對較慢，但變化仍然很大，而在1～2h內(nèi)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(shí)間內(nèi)完成的，時(shí)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(shí)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(jì)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(dāng)穩(wěn)定的。有人做過試驗(yàn)，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(shí)間提高回火溫度，以便使激合能高的馬氏體，在高溫短時(shí)間內(nèi)快速分解，從而獲得滿意的力學(xué)性能。具體表達(dá)式為：
式中T——回火時(shí)間，s；
Ks——回火時(shí)間基數(shù)，s；
As——回火時(shí)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(shí)，選Ks=30s、As=0.3、D＝10mm，則T＝30+0.3×10＝33（s），即回火時(shí)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(dāng)回火參量不變時(shí)，采用不同回火溫度和保溫時(shí)間回火后的硬度和力學(xué)性能對照表。
表1 回火溫度和回火時(shí)間對75Mn鋼力學(xué)性能的影響
表1數(shù)據(jù)說明，提高回火溫度，縮短保溫時(shí)間，不但可以得到相同的硬度，而且力學(xué)性能相差無幾。采用適當(dāng)提高回火溫度、縮短保溫時(shí)間 的快速回火方法，可以在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，達(dá)到可觀的節(jié)能效果。例如45鋼的軸，要求調(diào)質(zhì)硬度25～30HRC，將回火溫度度提高20℃，可使保溫時(shí)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(shí)加熱后急冷或緩冷，而達(dá)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(shí)間的瞬時(shí)變化關(guān)系積累計(jì)算。
式中P——回火參量；
Pt——相應(yīng)第i個(gè)1/n時(shí)間內(nèi)的回火參量。
工件在淬火爐中快速回火，實(shí)質(zhì)上是在加熱過程的變溫條件下完成回火轉(zhuǎn)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(jìn)行回火。這種工藝方法無普遍性，只是在特定條件下使用。實(shí)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(xué)性能。表2為φ50mm的40Cr鋼的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在淬火爐中進(jìn)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(guān)，當(dāng)這些已選定或?yàn)橐阎獣r(shí)，則主要工藝參數(shù)為時(shí)間，而快速加熱回火是在加熱過程中完成的回火，加熱時(shí)工件溫度的變化率和瞬時(shí)達(dá)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(jì)算快速回火的加熱時(shí)間。表3為不同直徑的45鋼淬火件，當(dāng)硬度要求為40～45HRC時(shí)，在800℃鹽浴中所需的回火時(shí)間及由回火時(shí)間除以工件有效直徑所得的加熱系數(shù)。
表2 40Cr鋼調(diào)質(zhì)回火工藝對力學(xué)性能的影響
回火規(guī)范 力學(xué)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(yàn)，有些單位經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，得出了結(jié)構(gòu)鋼在淬火爐中快速回火的經(jīng)驗(yàn)公式，可供參考。
式中 T——加火加熱時(shí)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(dāng)爐溫發(fā)生變化時(shí)，加熱時(shí)間也應(yīng)跟著變，大致的規(guī)律是，每變化10℃，加熱時(shí)間要相應(yīng)增減8%～10%。圖2是兩種高速鋼高溫回火溫度和保溫時(shí)間的關(guān)系，供選擇回火工藝參考。其中I區(qū)內(nèi)任何一點(diǎn)的回火溫度與時(shí)間的搭配，均可使工具達(dá)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(shí)間回火溫度與保溫時(shí)間的關(guān)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(shí)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(nèi)。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(zhì)為60Si2Mn，此材料硬度在40～45HRC時(shí)有很好的彈性，硬度＞55HRC時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間同硬度的關(guān)系見表5。
圖 3 彈簧夾頭結(jié)構(gòu)示意
表5 彈簧夾頭高溫快速回火時(shí)間同硬度的關(guān)系
回火溫度 540～560℃ | 回火時(shí)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(shù)規(guī)范，在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中很有經(jīng)濟(jì)意義。高速鋼回火應(yīng)達(dá)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(yīng)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(shí)間有一定的關(guān)系。圖4為回火保溫時(shí)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(shí)間，正是基于這種原因，高溫短時(shí)節(jié)能回火才得以實(shí)現(xiàn)。
圖4 高速鋼回火溫度和時(shí)間與硬度的關(guān)系
回火溫度與回火保溫時(shí)間的關(guān)系，可以用回火參量來表示，其表達(dá)式如下：
式中P——回火參量；
t——回火溫度；
τ——回火時(shí)間。
盡管回火溫度、回火的保溫時(shí)間有所不同，只要回火參量相同，回火的效果就相當(dāng)。國內(nèi)有的工具廠在單件加熱或生產(chǎn)自動線上回火時(shí)，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(gè)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(diǎn)。這時(shí)，馬氏體轉(zhuǎn)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(fù)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(biāo)明抗回火性越好，則紅硬性越高。②625℃×2h后磨平測硬度，經(jīng)驗(yàn)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(lǐng)域都有應(yīng)用，比如紡織機(jī)械一些調(diào)質(zhì)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(jié)構(gòu)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(shí)、節(jié)電的優(yōu)點(diǎn)，而力學(xué)性能與傳統(tǒng)常規(guī)工藝相當(dāng)，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(yīng)大力推廣運(yùn)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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