3.如何避免淬火變形與開裂？

影響淬火變形的因素有很多，包括鋼的含碳量、零件尺寸和形狀、淬火介質的溫度和壓力、淬火工藝（冷或熱空氣/水噴、壓模淬火、高壓氣流等）、淬火冷卻設備和攪拌裝置，以及零件周圍淬火介質的流速、流場分布等。此外，奧氏體化過程中零件在熱處理爐內的放置方式、加熱爐爐溫均勻性以及出爐時的機械輸送等，都會對變形產生一定的影響。

淬火變形包括兩種。一種變形是零件加熱時由于自身重量而產生的尺寸變化，稱為形狀畸變，比如彎曲、翹曲、扭曲等。另一種是尺寸變形，包括可以觀察到的如伸長、收縮、變厚和變薄等尺寸變化。尺寸變形是由于相變時體積變化引起的。尺寸變形分為一維，二維和三維變形。

淬火開裂的主要原因是冷卻過快而產生很大的熱應力及相變應力。在馬氏體轉變過程中，開裂是由于形成馬氏體的體積膨脹引起的。出現開裂必定存在著應力梯度，即應力集中。常見的應力梯度有兩種：一種是幾何缺口，包括刀痕、尖角、溝槽、孔穴以及截面突變處。另一種是材料中的隘口，包括晶間影響，碳化物偏析以及雜質聚合體。

（1）鋼的淬透性對零件變形的影響

鋼的淬透性指在規定條件下的淬硬深度和硬度分布的特征。當心部未淬透時，變形情況是趨向于長度縮短，內外徑尺寸縮小；當全部淬透時，則趨向于長度伸長，內外徑尺寸脹大。因為當整個截面全部淬透時，組織轉變的應力總和大，對變形影響較大。

（2）鋼的含碳量對零件變形的影響

Ms點溫度與淬裂有密切關系，淬裂大多發生在0.4％C以上，Ms點在330℃以下的鋼中。Ms點溫度隨著碳含量增加而降低，導致淬火中殘余奧氏體增加。含碳量低時，淬火溫度提高，熱應力增加，抵消了部分組織應力的影響，淬火時馬氏體轉變量減少；含碳量高時，Ms降低，材料本身的屈服強度提高，塑性比中碳鋼差，所以組織應力引起的變形量減小，熱應力起主導作用。

（3）鋼的原始組織對零件淬火變形的影響

零件淬火前的組織狀態對零件的淬火質量有很大影響，如碳素工具鋼、合金工具鋼、軸承鋼等，這些鋼在鍛造加工以后，必須進行球化退火，將片狀珠光體變為球狀珠光體，在淬火加熱時，奧氏體晶粒不易長大，冷卻時工件的變形和開裂傾向小。另外偏析現象和網狀組織，對淬火后工件的變形、特別是對細長軸的彎曲變形影響很大。材料的本質晶粒度越細，屈服強度越高，對變形的抗力越大，工件淬火后的變形量就相應減小。

（4）淬火介質對零件淬火熱處理變形的影響

根據碳鋼的等溫轉變圖可知，為了抑制非馬氏體轉變的產生，在C曲線“鼻子”附近（550℃左右）需要快冷，而在650℃以上或400℃以下溫度范圍，并不需要快冷，特別在Ms線附近發生馬氏體轉變時需要緩慢冷卻，為使馬氏體轉變時產生的熱應力和組織應力最小，以防止淬火變形和開裂。因此，鋼的理想淬火冷卻速度如圖1-6所示。

一般認為，淬火介質300℃時的冷卻速度對變形的影響是關鍵的，應根據鋼的淬透性、零件截面尺寸和表面粗糙度，合理選用淬火介質。常用的淬火介質有水、油、以及鹽類水溶液、熔鹽、空氣等。水的冷卻特性不理想，在要求快冷區間650～400℃時，水的冷卻速度很小，大約200℃/s，而在400℃以下需要漫冷的區間，水的冷卻速度大增，大約300℃達到最大值800℃/s，使零件淬火變形及開裂傾向最大。一般情況下碳鋼常采用淬火烈度大的水或水溶液作為淬火介質；而合金鋼一般用油作為淬火介質。因此，選擇淬火介質的正確原則是，在保證淬硬的前提下，盡量選擇淬火烈度小的淬火介質，以減小淬火變形及開裂。

（5）零件的幾何形狀對零件淬火變形的影響

從熱處理工藝角度出發，零件設計最好采用對稱結構，盡量避免尖角，要求截面過渡均勻。必要時可開工藝用槽。如鏜桿上開有兩條對稱的槽，其中一條是為減小熱處理變形而設計的。形狀較復雜的零件，如零件的尖角處，由于應力集中，更容易產生淬火裂紋。因此，必須合理選擇材料，避免淬火裂紋產生。

（6）淬火方法對零件淬火變形的影響

為了使淬火時最大限度地減少變形和避免開裂，除了正確地進行加熱及合理選擇淬火介質外，還應根據工件的成分、尺寸、形狀和技術要求選擇合適的淬火方法。例如：雙介質淬火、馬氏體分級淬火、貝氏體等溫淬火、強烈淬火等。雙介質淬火的內應力小，變形及開裂少，所以主要應用于碳素工具鋼制造的易開裂的工件，如絲錐等；貝氏體等溫淬火可以顯著地減少淬火應力和淬火變形，并能基本上避免工件的淬火開裂，因此，各種形狀復雜的模具、成形刀具采用貝氏體等溫淬火；強烈淬火技術是采用高速攪拌或高壓噴淬使試件在馬氏體轉變區域進行快速而均勻的冷卻，在試件整個表面形成一個均勻的具有較高壓應力的硬殼，避免了常規淬火在馬氏體轉變區域進行快速冷卻而產生畸變過大和開裂的問題。

總之，影響淬火熱處理變形與裂紋的因素是十分復雜的，在制定淬火熱處理工藝時，應充分考慮工件的形狀、鋼中的碳含量，根據工件所要求的力學性能，合理選擇淬火方法及冷卻介質，就可防止構件在淬火過程中產生變形及開裂，提高產品質量。