周　軍

所謂零保溫淬火，就是指工件加熱時(shí)，其表面和心部達(dá)到淬火加熱溫度后，不需保溫，立即淬火冷卻的熱處理工藝。與現(xiàn)行的淬火工藝相比，“零保溫”淬火省去了工件透熱和完成組織轉(zhuǎn)變所需要的保溫時(shí)間，不僅能節(jié)約能源，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，還可以減少或消除工件在保溫過程中產(chǎn)生的氧化、脫碳等缺陷，有利于產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

一、理論探討

在大多數(shù)熱處理工藝中，鋼的加熱目的主要是獲得奧氏體組織。了解奧氏體化過程，有助于分析加熱工藝的制定。

1．奧氏體化過程

奧氏體 A形成必須要有一定的過熱度△T，提供相變驅(qū)動(dòng)力△G。共析鋼 P在加熱溫度大余等于Ac1時(shí)，轉(zhuǎn)化為奧氏體A。奧氏體的形成實(shí)質(zhì)就是體心立方晶格改組成面心立方晶格的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，須進(jìn)行鐵原子和碳原子的遷徙。奧氏體的形成既發(fā)生相變，也伴隨著原子的擴(kuò)散，即在相變的同時(shí)，碳原子由滲碳體-奧氏體-鐵素體擴(kuò)散。

其轉(zhuǎn)化可分為以下四個(gè)階段（有五個(gè)圖為什么是四個(gè)階段？??建議與作者核實(shí)）：① A形核 ②A晶核長大 ③殘余Fe3C溶解 ④ A均勻化。在鐵素體F和滲碳體 Fe3C兩相界面上形核后，向F和Fe3C兩個(gè)相界面推移，F(xiàn)晶格重構(gòu)成面心立方，而Fe3C具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)，不能直接通過晶格的改組進(jìn)行，只能通過滲碳體的分解、溶入奧氏體來實(shí)現(xiàn)。重構(gòu)速度比Fe3C溶解速度快，所以F先溶解，剩余Fe3C通過C原子擴(kuò)散，從而使A均勻化。對(duì)于亞共析鋼其平衡組織為鐵素體+珠光體，奧氏體化過程分兩個(gè)階段進(jìn)行：第一階段是加熱到略高于Ac1溫度時(shí)珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體；第二階段是在Ac1-Ac3溫度區(qū)間升溫過程中鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變。過共析鋼也有第二相的存在（滲碳體），滲碳體的分解、溶入，完全奧氏體化時(shí)晶粒已顯著長大。

2．加熱工藝

奧氏體形成的各個(gè)階段所需的時(shí)間是不同的。形核和長大階段的時(shí)間較短，殘余滲碳體的溶解較長、奧氏體均勻化的時(shí)間更長。加熱工藝的確定須充分考慮加熱溫度、加熱時(shí)間、加熱速度和加熱方式。加熱時(shí)通常是三段式操作：升溫、均溫、保溫。保溫的目的一方面是使工件內(nèi)外勻溫，而更重要的是保證奧氏體形成過程中碳化物的溶解及奧氏體的均勻化。原則上升溫時(shí)間應(yīng)指整個(gè)工件都達(dá)到加熱溫度所需要的時(shí)間，但是由于難以確定工件心部究竟何時(shí)到溫，一般都以加熱開始到工件表面到溫所需的時(shí)間作為升溫時(shí)間，并以此作為保溫時(shí)間的開始。在傳統(tǒng)工藝計(jì)算時(shí)間：T=K*A*D式中的T為加熱時(shí)間，K為裝爐系數(shù)，A為加熱系數(shù)，D為工件有效厚度，其實(shí)我們?cè)趯?shí)際生產(chǎn)中，一般是根據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)和工件有效厚度來計(jì)算保溫時(shí)間。

二、工藝分析

１．保溫時(shí)間是否真的為“零”

這里要認(rèn)清兩個(gè)時(shí)間概念。

（１）均溫時(shí)間。它是指爐膛內(nèi)的各處溫度均勻化的時(shí)間；爐膛溫度和加熱件的表面溫度均勻化時(shí)間。

（２）保溫時(shí)間。它是指使加熱件從外到里都達(dá)到需要的溫度（包括組織轉(zhuǎn)變、固溶、重結(jié)晶、均勻化等等）的時(shí)間。從其工藝來看，現(xiàn)行的工藝保溫時(shí)間一般是從工件表面到溫時(shí)才開始計(jì)算，從“零保溫”工藝表述中，可知是把工件表面溫度和心部溫度都到達(dá)加熱溫度算升溫時(shí)間。與現(xiàn)行工藝比較起來，這加熱過程包括均溫時(shí)間和部分保溫時(shí)間。也就是說，實(shí)際上保溫時(shí)間不為零，只是短而已。

２．奧氏體均勻化過程是否真的能省掉

從奧氏體化過程來看，如果碳溶解不均勻?qū)?huì)影響工件的性能。奧氏體化從傳熱學(xué)角度來看：凡屬“薄件”的工件，當(dāng)其表面到溫后，其心部的溫度與表面溫度相差很?。粡慕饘賹W(xué)的角度來看，一般鋼材的奧氏體化時(shí)間很短，因此對(duì)許多零件的加熱，不必額外增加保溫時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)鋼淬火及正火加熱采用“零保溫”或短時(shí)間保溫是完全可行的。特別是45？、45Mn2這樣的碳素結(jié)構(gòu)鋼或單元素合金結(jié)構(gòu)鋼，采用“零保溫”工藝可以保證其力學(xué)性能要求。當(dāng)爐溫已達(dá)到工藝設(shè)定值時(shí)，也就是說工件表面已達(dá)到工藝溫度值時(shí)，工件已透燒了，不要再額外增加保溫時(shí)間了，這就是常說的“零”保溫加熱。既在這過程中，工件的奧氏體化已經(jīng)完成或接近全部完成。

３．零保溫工藝的適用有限制嗎？

合金元素對(duì)鋼加熱的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是合金元素對(duì)奧氏體形成速度的影響；二是合金元素對(duì)晶粒長大的影響。我們主要分析第一點(diǎn)，大部分合金元素阻礙碳在鋼中的擴(kuò)散，減慢奧氏體的形成速度，而且合金碳化物溶人奧氏體的更難，需要更高的溫度；合金元素在奧氏體中的擴(kuò)散速度極慢，且碳的擴(kuò)散速度也因合金元素的加入而變慢。同時(shí)保溫時(shí)間更主要的和加熱件的導(dǎo)溫、導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)，即加熱件物性起了主要作用，在均溫后是物性決定了時(shí)間的長短。故合金鋼加熱保溫時(shí)間要比碳鋼長得多，才能使奧氏體充分均勻化。合金結(jié)構(gòu)鋼（40Cr,35CrMo,42CrMo）等，因其材料中添加了一些合金元素，在加熱過程中我們要使在碳化物均勻化需要一定的時(shí)間，對(duì)于40CrNiMo等多元素合金結(jié)構(gòu)鋼，零保溫處理其力學(xué)性能也并不壞，完全符合指標(biāo)要求，但若為了性能可靠、穩(wěn)定，可選用5分鐘短時(shí)保溫。因此“零保溫”淬火工藝主要反應(yīng)在碳素鋼和低合金鋼上，這是由于碳素鋼沒有合金元素和碳化物，不須長時(shí)間保溫均勻奧氏體化過程。低合金鋼因其傳熱系數(shù)與碳素鋼基本類似，所以相對(duì)碳素鋼來說就要多一點(diǎn)時(shí)間，一般我們也要在傳統(tǒng)工藝時(shí)間上的60%～80%左右，這樣做可以縮短鋼件在高溫加熱時(shí)間，變形量也相對(duì)減少一點(diǎn)，奧氏化晶粒相對(duì)較細(xì)小，淬火后可得到細(xì)小馬氏體組織，其機(jī)械性能也就得到一定的提高，這也是我們熱處理工作者想要達(dá)到的效果。

三、概括總結(jié)

第一，“零保溫”工藝的保溫時(shí)間并不為零，只是保溫時(shí)間很短。

第二，“零保溫”工藝主要適用一般碳素鋼和低合金鋼的熱處理。對(duì)于高碳鋼、合金鋼要相應(yīng)增加保溫時(shí)間，使奧氏體均勻化。

第三，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，要根據(jù)實(shí)際情況來合理安排保溫時(shí)間。單純追求“零保溫”會(huì)適得其反。

（作者單位：廣東省中山技師學(xué)院）