第八章 淬火教材

1第八章淬火第一節(jié)淬火加熱第二節(jié)淬火介質第三節(jié)鋼的淬透性第四節(jié)淬火工藝第五節(jié)表面淬火第六節(jié)淬火缺陷2

淬火是將合金在高溫下所具有的狀態(tài)以過冷、過飽和狀態(tài)固定至室溫，或使基體轉變成晶體結構與高溫狀態(tài)下不同的亞穩(wěn)狀態(tài)的熱處理形式。

合金能否淬火可由相圖決定。如果合金在相圖上有多型性轉變或者固溶度變化，這些合金就可以淬火。

淬火可分為兩類：無多型性轉變合金的淬火與有多型性轉變合金的淬火。3狹義上講，淬火是把鋼件加熱到臨界溫度（Ac3或Ac1）以上，保溫一定時間使之奧氏體化，再以大于臨界冷卻速度的冷速冷卻，從而獲得馬氏體或貝氏體組織的熱處理工藝。

淬火的目的是提高鋼的硬度、強度、耐磨性和硬磁性，以及與各種回火工藝配合提高鋼的強韌性和彈性。

淬火工藝分為許多種。4第一節(jié)淬火加熱1.淬火加熱溫度的確定

1）鋼的化學成分；2）工件的尺寸、形狀和技術要求；3）奧氏體的晶粒長大傾向；4）采用的淬火介質與淬火方法。5

化學成分是決定淬火溫度最主要的因素。碳鋼的淬火加熱溫度范圍亞共析鋼：Ac3+(30~50oC);共析鋼、過共析鋼：

Ac1+(30~50oC)

67生產實際中必須結合以下因素全面考慮：1）工件尺寸

如果尺寸小，則應采用較低的淬火溫度。2）工件形狀

形狀復雜、容易變形或開裂的工件，應在保證性能要求前提下，盡量采用較低的淬火溫度。3）淬火介質和淬火方法

采用冷卻能力強的淬火劑時，為減小應力可適當降低淬火溫度。4）奧氏體晶粒長大傾向

奧氏體晶粒不易長大的本質細晶粒鋼，可適當提高淬火溫度。8加熱與保溫時間由工件入爐到到達指定工藝溫度所需時間（τ1）、透熱時間（τ2）及組織轉變所需時間（τ3）組成，即τ=τ1+

τ2+τ3。

τ1+τ2

由設備功率、加熱介質及工件尺寸、裝爐量等確定；τ3則與鋼材的成分、組織及熱處理技術要求有關。

2.加熱時間的確定9計算加熱時間的經驗公式一般以工件的“有效厚度”乘以加熱系數，

τ=αkD

這里τ

：保溫時間；

α：保溫時間系數；

k

：工件裝爐方式修正系數；

D

：工件有效直徑。以上參數均可查表求得。101）空氣

空氣中的氧以及少量存在的二氧化碳和水蒸氣均可使工件氧化（主要在650oC以上），前二者還可使工件脫碳。2）液體介質

液體介質主要指鹽浴加熱，優(yōu)點是爐溫較易控制、受熱均勻、加熱速度快、工件不易氧化、變形小。但需對鹽浴進行定期脫氧處理。3）固體介質

流態(tài)床加熱采用固體粒子（石墨、石英砂或剛玉等）作為加熱介質。

3.加熱介質的選擇11第二節(jié)淬火介質淬火介質：工件進行淬火冷卻所使用的介質。

淬火過程中工件產生的變形、開裂、硬度不足等淬火缺陷往往是冷卻介質和冷卻方法選擇不當所致。

理想的淬火介質應具備的條件是使工件既能淬成馬氏體，又不能引起太大的淬火應力。

12這類介質在淬火過程中要發(fā)生物態(tài)變化，如水、水溶液和油類等。它們的特點是沸點較低，工件冷卻過程伴隨淬火介質的汽化，從而吸收了大量的熱，使得工件冷卻。汽化是決定這類介質冷卻物性的主要因素。1.在有物態(tài)變化的介質中的冷卻過程1）蒸汽膜階段（AB段）；2）沸騰階段（BC段）；3）對流階段（CD段）。B點對應的溫度為介質的特性溫度；C點對應的是介質的沸點溫度。13這類介質在淬火過程中不發(fā)生物態(tài)變化，如熔鹽、燒堿、熔融金屬及氣體等。它們的特點是工件的冷卻主要靠輻射、對流和傳導進行，介質本身并不汽化。工件冷卻過程中，決定冷卻速度的主要因素是工件與介質的溫差，溫差越大，冷卻速度越快。2.在無物態(tài)變化的介質中的冷卻過程143.常用的淬火介質

1）水

水是冷卻能力較強的常用淬火介質，具有諸多優(yōu)點。但是它的缺點是在C曲線的鼻部位（500~650oC），水處于蒸汽膜階段，膜狀沸騰階段長，冷速不夠快，有可能形成淬火“軟點”。而在馬氏體轉變溫度區(qū)，水處于沸騰階段，出現最大冷速，使得馬氏體轉變速度過快而產生很大內應力，致使工件變形或開裂。15

2）鹽水和堿水

在水中加入適量的鹽或者堿，可以加快蒸汽膜破裂，提前進入泡狀沸騰階段，提高在高溫區(qū)的冷卻速度，使得鋼件獲得較厚的淬硬層。

氯化鈉（NaCl）：特性溫度較高，高溫區(qū)冷卻能力是水的十倍；冷卻能力受溫度影響較小。

氫氧化鈉（NaOH）：換熱系數較氯化鈉更大，5~15wt.%的氫氧化鈉水溶液是目前冷卻能力最強的淬火介質，但200oC以下的冷卻速度低于水。

三硝水溶液25%NaNO3+20%NaNO2+35%H2O16全損耗系統用油即機械油，號數越大則黏度越大，閃點越高、冷卻能力越低。普通淬火油是向全損耗系統用油中加入催冷劑、抗氧化劑、表面活性劑等添加物調制而成，屬中速淬火油?？焖俅慊鹩褪窃谄胀ù慊鹩偷幕A上加入效果更高的催冷劑而制成，其冷卻能力比普通淬火油強。光亮淬火油是以高品質礦油作為基礎油，往其中加入添加劑而制成。這些添加劑主要是光亮劑，作用是將不溶解于油的老化產物懸浮起來，防止其沉淀。

3）淬火油

分為全損耗系統用油、普通淬火油、快速淬火油、光亮淬火油及真空淬火油。17真空淬火油是以石蠟基潤滑油分餾，經溶劑脫蠟、溶劑精制、白土處理和真空蒸餾、真空脫氣后，加入催冷劑、光亮劑、抗氧化劑等添加劑而制成。18

4）高分子聚合物淬火介質

這類淬火劑是由各種高分子聚合物配以適量的防腐劑和防銹劑而制成。使用時根據需要加水稀釋成不同濃度的溶液，可以得到水、油之間或比油更慢的冷卻能力。無燃燒、無煙霧。

5）鹽浴

屬于不發(fā)生物態(tài)變化的淬火介質，一般用作分級淬火和等溫淬火的冷卻介質。主要靠對流冷卻，在高溫區(qū)冷速快、低溫區(qū)冷速慢。19

6）氣體

空氣、氮氣、氦氣、氬氣等都可用作淬火冷卻介質。尺寸不大的高速鋼工件和Cr12系列等高淬透性合金鋼工件，用靜止的或流動的空氣作為冷卻介質，即可淬硬。

7）流態(tài)床

流態(tài)床即可用于淬火加熱，也可用于淬火冷卻。選用不同的固體顆粒，控制其力度、流態(tài)床深度和溫度等，并調整壓縮空氣的流量和流速，即可調節(jié)冷卻能力。204.影響淬火介質冷卻能力的因素淬火介質的冷卻能力可用不同方法來評定:

1）按照介質的冷卻全來評定，即試樣在介質中的溫度與冷卻速度的關系曲線；2）按照冷卻速度特性曲線來評定，反應了整個冷卻過程的瞬時冷卻速度及其變化。影響淬火介質冷卻能力的因素主要是溫度和攪拌：

1）溫度。水和水為基的介質隨溫度升高冷卻能力下降，而油與水相反。2）攪拌。攪動會增大液體換熱系數，盡早破壞蒸汽膜，提高對流階段冷速，使工件冷卻均勻。21第三節(jié)鋼的淬透性鋼的淬透性和淬硬性是表征鋼材接受淬火能力戴奧的兩項重要指標，是選材、用材和制定熱處理工藝的重要依據。1.淬透性與淬硬性鋼件具有一定尺寸，淬火時其表面冷速大，心部冷速小，因此鋼件淬火時，如果中心的冷速高于臨界冷速，則由表及里都獲得高硬度的馬氏體組織，稱之為“淬透了”。如果心部冷速小于臨界速度，則淬火后僅表層獲得馬氏體組織，心部為非馬氏體組織，稱為“未淬透”。22淬透性（hardenability)是以在規(guī)定條件下鋼試樣淬硬深度和硬度分布表征的材料特性。是表征鋼材淬火時獲得馬氏體的能力的特性，主要取決于鋼的臨界冷卻速度Vc。

淬透性的測量是用一定條件下的淬硬層深度或用在某種冷卻介質中可完全淬透的最大截面直徑—臨界直徑dc來表示。淬透層深度常用由表面至半馬氏體組織（體積分數為50%馬氏體和50%非馬氏體）的最大距離來表示。23淬透性不同于淬硬性：

淬硬性是以鋼在理想條件下淬火所能達到的最高硬度來表征的材料特性，是表示鋼淬火時獲得硬度高低的能力，也稱為可硬性。決定鋼淬硬性高低的主要因素是鋼的含碳量，即淬火加熱時固溶在奧氏體中的含碳量，含碳量越高，鋼的淬硬性也越高。

鋼中合金元素對淬硬性的影響不大，但對鋼的淬透性卻有重大影響。241）臨界直徑法鋼制圓柱試樣在某種介質中淬冷后，心部得到全部馬氏體或50%馬氏體（體積）組織時的最大直徑稱為臨界直徑，用dc表示。dc越大，表示這種鋼的淬透性越高。dc水表示鋼在水中的臨界直徑；dc油表示鋼在油中的臨界直徑。

為去除臨界直徑中淬火烈度的影響，引入了理想臨界直徑的概念，用單一數值來表征鋼的淬透性。所謂理想臨界直徑就是在淬火冷卻烈度無限大的理想淬火介質中淬火冷卻時的臨界直徑。

2.淬透性的測定方法252）端淬實驗

端淬實驗不僅可以用來測定鋼的CCT圖，還可以用于測定鋼的淬透性，國外常稱為“Jominytest”。

按照國標GB225-88的規(guī)定進行測試。

3.淬透性的應用26第四節(jié)淬火工藝1.常用的淬火工藝1）單介質淬火單介質淬火就是將奧氏體化工件迅速浸入到某一種淬火介質，一直冷卻到室溫的淬火操作方法。是應用最廣泛也最簡單的一種淬火方法。272）雙介質淬火（雙液淬火）雙介質淬火是將鋼件奧氏體化之后，先浸入一種冷卻能力強的介質，在組織即將發(fā)生馬氏體轉變時立即轉入冷卻能力弱的介質中冷卻的淬火工藝。如先水后油、先水后空氣等。

雙介質淬火的關鍵是準確控制工件在第一種介質中的停留時間，或者說工件由第一種介質轉入第二種介質時的溫度。

雙介質淬火既能保證工件淬硬，又不致因工件在馬氏體區(qū)冷速過大而出現較大變形或開裂。283）馬氏體分級淬火

馬氏體分級淬火一般是將工件加熱奧氏體化后浸入溫度稍高或稍低于Ms點的堿浴或鹽浴中保持適當時間，在工件整體達到介質溫度后取出空冷以獲得馬氏體的淬火工藝。

分級淬火可以大大減少工件內外冷速的差別，使得馬氏體轉變的不同性明顯降低，有效減少組織應力和熱應力，減小工件的淬火變形、開裂傾向。

分級淬火適用于變形要求嚴格的合金鋼和高合金鋼，也適用于形狀復雜的碳素鋼。294）貝氏體等溫淬火貝氏體等溫淬火是將工件加熱奧氏體化后快冷到奧氏體轉變區(qū)間等溫保持，使奧氏體轉變?yōu)樨愂象w的淬火，也稱為貝氏體淬火，簡稱等溫淬火。305）預冷淬火

又稱冷待淬火，即工件加熱奧氏體化后浸入淬火冷卻介質前后在空氣中停留適當時間（延遲時間）的淬火。預冷淬火的關鍵是控制預冷時間（或溫度），一般在空氣中冷卻到的溫度應略高于Ar3（或Ar1）點。

預冷淬火不僅可保證工件的淬火硬度與淬硬層深度不降低，而且更主要的是能使淬火應力（主要是熱應力）減小，因而是減小淬火變形與開裂的有效措施之一。312.其它淬火工藝1）亞臨界溫度淬火（亞溫淬火或臨界區(qū)淬火）亞共析鋼工件在Ac1~Ac3溫度區(qū)間奧氏體化后淬火冷卻，獲得馬氏體和鐵素體組織的淬火。

在正常的淬火（Ac3+30~50oC）與回火之間進行一次或數次加熱溫度在Ac1~Ac3之間的亞臨界溫度淬火，能進一步提高鋼的韌性，降低韌脆轉變溫度以及降低回火脆性。322）碳化物微細化淬火

1）高溫固溶碳化物的低溫淬火要點是將鋼加熱到高于正常淬火溫度，使碳化物充分溶解，然后在低于Ar1的中溫保溫或直接淬火后于450~650oC回火，析出極細碳化物，然后再于低溫加熱淬火。2）調質后再低溫淬火，高碳工具鋼先調質可使碳化物均勻分布，而后的低溫加熱淬火可顯著改善淬火后鋼中未溶碳化物的分布狀態(tài)，從而提高韌性。333）循環(huán)加熱淬火（超細晶粒淬火）通過α→γ→α多次循環(huán)相變，可使奧氏體晶粒逐步細化。4）超高溫淬火對含碳化物形成元素的合金結構鋼和工具鋼，提出了淬火溫度高出Ac3300oC左右的超高溫淬火法，以改善鋼的韌性。343.冷處理工件淬火冷卻到室溫后，繼續(xù)在一般制冷設備或低溫介質中冷卻的工藝，稱為冷處理。在液氮或液氮蒸汽中進行的冷處理，稱為深冷處理。

主要作用為：1）增加鋼的硬度；2）增減工件尺寸穩(wěn)定性；3）利用殘余奧氏體向馬氏體轉變而發(fā)生體積增大的規(guī)律，采用冷處理來挽救因尺寸縮小而將報廢的產品。35第五節(jié)表面淬火表面淬火的目的、分類及應用

表面淬火：僅對工件表層進行淬火的工藝。

目的：在工件表面一定深度范圍內獲得馬氏體組織，而其心部仍保持這表面淬火前調質或正火的組織狀態(tài)以使工件表面層硬而耐磨，心部又保留足夠的塑性和韌性。

分類：表面淬火常以供給表面能量的形式不同而命名和分類，如感應加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火等。362.淬硬層的深度及硬度梯度確定淬硬層的深度及硬度梯度時，應使表面淬火硬化層與工件負載應力分布相匹配。3.感應加熱表面淬火利用感應電流通過工件所產生的熱效應，使工件表面加熱并進行快速冷卻的淬火工藝。

1）感應加熱基本原理

利用了電磁感應、渦流發(fā)熱和磁滯發(fā)熱等物理現象以及交變電在導體中的分布特征。37

感應器中流過交變電流時，其周圍就要產生相同頻率的交變磁場，在交變磁場作用下工件中將產生感應電動勢，從而產生與感應器頻率相同而方向相反的感應電流，即渦流。渦流因工件本身的電阻轉換成熱能，從而將工件加熱，又叫渦流加熱。2）感應加熱設備

按照輸出電流頻率不同可分為高頻、中頻、工頻、超音頻好超高頻脈沖五類。383）感應加熱表面淬火工藝

感應淬火工藝主要包括頻率和比功率的選擇與確定、加熱方式和加熱工藝參數的選擇與確定、冷卻介質和冷卻方法的選擇與確定等。

頻率和比功率的確定：

電流頻率主要應根據硬化層深度的要求合理選擇。根據淬硬層深度選擇電流頻率時，可由熱處理手冊查得。39

比功率的選擇主要取決于頻率和要求的硬化層深度。

加熱方式和加熱工藝參數的選擇和確定：

分為同時加熱法和連續(xù)加熱法兩種。每種鋼都有最佳的加熱規(guī)范，可參見有關手冊。

冷卻方法和冷卻介質的選擇和確定：最常用噴射冷卻法和浸液冷卻法。404.其他加熱表面淬火1）火焰加熱表面淬火

用一種火焰在一個工件表面上若干尺寸范圍內加熱，使其奧氏體化并淬火的工藝。具有設備簡單、使用方便、成本低廉、不受工件體積大小限制的優(yōu)點。2）激光表面淬火

是利用高能激光束對金屬工件表層迅速加熱和隨后激冷，使其表層發(fā)生固態(tài)相變而達到表面強化的一種淬火工藝。41

激光表面淬火的優(yōu)點是加熱速度快、基本不改變表面粗糙度、變形小，表面硬度高、原則上可處理各種不同過得金屬材料、出來過程無污染、生產效率高且易于實現自動化生產。3）電子束表面淬火

以電子束作為熱源以極快的速度加熱工件并自冷硬化的淬火工藝。

電子束加熱淬火幾乎具有和激光淬火相同的優(yōu)點，不同之處在于：電子束加熱效率高，而激光加熱的電效率低；激光加熱可在大氣中完成，而電子束加熱需要一定真空度；電子束加熱不需要表面處理，激光加熱需要表面進行黑化處理；電子束加熱可控