钢的淬火与回火 2

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1、第3章 钢的淬火与回火 钢的淬火与回火是热处理工艺中最重要、也是用途最广的工序。淬火可以大幅度提高钢的强度与硬度。淬火后，为了消除淬火钢的残余内应力，得到不同强度、硬度与韧性的配合，需要配以不同温度的回火。所以，淬火与回火是不可分割的、紧密衔接在一起的两种热处理工艺。淬火与回火作为各种机器零件及工、模具的最终热处理，是赋予钢件最终性能的关键性工序，也是钢件热处理强化的重要手段之一。3.1 钢的淬火与分类 淬火是将钢加热至临界点（Ac1或Ac3）以上，保温一定时间后快速冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的工艺方法。图3-1是共析碳钢淬火冷却工艺曲线示意图。vc、vc分别为上临界冷却速度（

2、即淬火临界冷却速度）和下临界冷却速度。以vvc的速度快速冷却（曲线1），可得到马氏体组织；以vcvvc的速度冷却（曲线2），可得到马氏体珠光体混合组织；以曲线3冷却则得到下贝氏体组织。 钢淬火后的强度、硬度和耐磨性大大提高。wc0.5的淬火马氏体钢经中温回火后，可以具有很高的弹性极限。中碳钢经淬火和高温回火（调质处理）后，可以有良好的强度、塑性、韧性的配合。图3-1 共析钢的淬火冷却工艺奥氏体高锰钢的水韧处理，奥氏体不锈钢、马氏体时效钢及铝合金的高温固溶处理，都是通过加热、保温和急冷而获得亚稳态的过饱和固溶体，虽然习惯上也称为淬火，但这是广义的淬火概念，它们的直接目的并不是强化合金，而是抑制第

3、二相析出。高锰钢的水韧处理是为了达到韧化的目的。奥氏体不锈钢固溶处理是为了提高抗晶间腐蚀能力，铝合金和马氏体时效钢的固溶处理，则是时效硬化前的预处理过程。本章讨论钢的一般淬火强化问题，其淬火工艺分类见表3-1。表3-1 钢的淬火工艺分类序号分类原则淬火工艺方法I按加热温度完全淬火、不完全淬火II按加热速度普通淬火、快速加热淬火、超快速加热淬火III按加热介质及热源条件光亮淬火、真空淬火、流态层加热淬火、火焰加热淬火、（高、中、工频）感应加热淬火、高频脉冲冲击加热淬火、接触电加热淬火、电解液加热淬火、电子束加热淬火、激光加热淬火、锻热淬火IV按淬火部位整体淬火、局部淬火、表面淬火V按冷却方式直接

4、淬火、预冷淬火（延迟淬火）、双重淬火、双液淬火、断续淬火、喷雾淬火、喷液淬火、分级淬火、冷处理、等温淬火（贝氏体等温淬火、马氏体等温淬火）、形变等温淬火（高温形变等温淬火、中温形变等温淬火）3.2 钢的淬透性一、淬透性的基本概念 1淬硬层与淬透性图3-2 零件截面上各处的冷却速度与未淬透区示意图A1时间v中心MsVcV表面温度表面表面中心淬硬层未淬硬区冷却速度vcba 由于淬火冷却速度很快，所以工件表面与心部的冷却速度不同，表层最快，中心最慢（见图3-2a）。如果钢的淬火临界冷却速度vc较小，工件截面上各点的冷速都大于淬火临界冷却速度，工件从表层到心部就都能获得马氏体，称之为“淬透”。如果钢的

5、淬火临界冷却速度较大，工件表层冷速大于淬火临界冷却速度，而从表层下某处开始冷速低于淬火临界冷却速度，则表层获得马氏体，心部不能得到全马氏体或根本得不到马氏体，此时工件的硬度便较低，称之为“未淬透”。通常，我们将未淬透的工件上具有高硬度马氏体组织的这一层称为“淬硬层”（图3-2b）。可见，在工件尺寸和淬火规范一定时，因钢种不同，淬火临界冷却速度不同，就会得到不同的结果，有的淬硬层深，有的淬硬层浅，有的能淬透，有的不能淬透。所谓钢的淬透性，就是指钢在淬火时获得马氏体的难易程度，是钢本身的固有属性，它取决于钢的淬火临界冷却速度的大小，也就是钢的过冷奥氏体的稳定性，而与冷却速度、工件尺寸大小等外部因素

6、无关。通常可以用标准试样在一定的条件下淬火能够淬硬的深度或能够全部淬透的最大直径来表示。应当指出，钢的淬透性与工件的淬透深度之间虽有密切关系，但不能混为同一个概念。例如有两个尺寸不同的工件，分别选用不同的钢种来制造，在淬火后可能出现这样的情况：尺寸小的工件，虽然选用的是淬透性低的钢，但却淬硬层较深或完全淬透；而尺寸大的工件，即使选用的是淬透性高的钢，但却淬硬层较浅。可见工件的淬透深度除取决于钢的淬透性外，还与工件尺寸、所采用的冷却介质等外部因素有关。图3-3 钢的淬火硬度与碳含量的关系7060504030200.10.20.30.40.50.60.70.8wc(%)硬度HRC马氏体量 2淬硬性

7、与淬透性 淬硬性表示钢淬火时的硬化能力，是指钢在淬成马氏体时所能够达到的最高硬度，它主要取决于钢的碳含量，确切地说，取决于淬火加热时奥氏体中的碳含量，与合金元素关系不大。奥氏体中固溶的碳含量越高，淬火后马氏体的硬度也越高，如图3-3所示。可见，淬硬性与淬透性是不同的，淬硬性高的钢，淬透性37第3章 钢的淬火与回火不一定高，而淬硬性低的钢，淬透性不一定低。二、淬透性的意义及影响因素 1淬透性的实际意义图3-4 淬透性不同的钢淬火、高温回火处理后的力学性能a 淬透性高 b 淬透性低abAKs 0.2s bHRC表面中心表面表面中心AKs 0.2s bHRC表面将淬透性不同的两种钢材制成相同直径的轴

8、，经淬火与高温回火（即调质处理）后比较它们的力学性能。由图3-4可见，淬透性高的钢，整个截面被淬透，高温回火后都是回火索氏体组织，故沿截面的力学性能分布均匀；而淬透性低的钢，心部未淬透，高温回火后仍保留片状索氏体，因此力学性能低，特别是冲击韧性更低。可见，工件的淬透层越薄，调质处理的效果越差。从工件的工作条件考虑，并非所有工件都要求淬透。如承受拉、压的重要工件，由于内外层均匀受力，要求工件淬透；而承受弯曲和扭转的轴类零件，轴的外缘承受最大应力，轴心部分应力很小，淬透层深度为半径的1/21/3就可以了。 2影响淬透性的因素 钢的淬透性实际上是受珠光体或贝氏体转变的孕育期所控制，凡抑制珠光体或贝氏

9、体等过冷奥氏体分解产物的诸因素均可提高钢的淬透性，其影响规律概述如下： (1) 合金元素的影响 除钴以外大多数合金元素溶入奥氏体后均使过冷奥氏体等温转变曲线右移，从而提高钢的淬透性。(2) 奥氏体化温度的影响 提高奥氏体化温度将使晶粒长大，奥氏体成分更加均匀，从而抑制珠光体或贝氏体的形核，降低了淬火临界冷却速度，可适当提高淬透性。 (3) 未溶第二相的影响 钢中未溶入奥氏体的碳化物、氮化物及其他非金属夹杂物，由于促进珠光体、贝氏体等相变的形核，从而使淬透性下降。 (4) 钢原始组织的影响 钢的原始组织中，由于珠光体的类型（片状或粒状）及弥散度的不同，在奥氏体化时将会影响到奥氏体的均匀性，从而影

10、响钢的淬透性。碳化物越细小，溶入奥氏体越迅速，越有利于提高钢的淬透性。三、淬透性评定标准与方法 1. 淬透性评定标准 淬透性通常可以用标准试样，在一定的条件下冷却所得淬硬层的深度或能够全部淬透的最大直径来表示。图3-5 共析碳钢淬火工件横截面上马氏体量与硬度的关系距表面距离/mm2表面46840305060702505075100马氏体量硬度马氏体量(%)硬度(HRC)淬硬层深度如何确定？按理淬硬层应是全部淬成马氏体的区域。但实际工件淬火后从表面至心部马氏体是逐渐减少的，从金相组织上看，淬透层与未淬透层并无明显界限，淬火组织中混入少量非马氏体组织，其硬度也无明显变化。因此，金相检验和硬度测定都

11、比较困难。但淬火组织中马氏体和非马氏体组织各占一半，即处于所谓半马氏体区时，显微组织差别明显，硬度变化剧烈（图3-5）；同时，该硬度范围又恰好是材料从明显的脆性断裂转化为韧性断裂的分界线，在宏观腐蚀时又是白亮淬硬层与未硬化层的分界处。为评定方便，通常采用从淬火工件表面至半马氏体区（50M）的距离作为淬硬层的深度。半马氏体组织的硬度同样主要取决于钢的碳含量（图9-3）。 2淬透性评定方法 目前，国际上和我国通常采用U曲线法、临界直径法和末端淬火法来评定钢的淬透性。表面中心表面DHhh50%M的硬度硬度HRCD (1) U曲线法 用长度为直径的4-6倍的一组直径不同的圆棒试样，按规定条件淬火，然后

12、从试样中间截断，磨平后沿中心十字线测硬度，并将测定结果绘成硬度分布曲线（图3-6）。淬透性大小可用淬透层深度h或用未淬透心部的直径DH与试样直径D的比值DH/D来表示。图3-6 U曲线法示意图U曲线法大多用于结构钢，优点是直观、准确，与实际工件淬火情况接近；缺点是繁琐、费时，对大批量的生产检验来说不适用。(2) 临界直径法 如果试样中心硬度高于（等于）半马氏体区硬度，就可以认为试样被淬透。则用上述U曲线法评定时，总可以找到在一定的淬火介质中冷却时能够淬透（达到半马氏体区硬度）的临界直径。小于此直径时全部可以淬透，而大于此直径时就不能淬透。这个临界直径用D0表示。相同淬火介质中的D0值，就可以表

13、示不同钢种的淬透性。显然，钢种及淬火介质不同，D0也不同。为了排除冷却条件的影响，根据传热方程的解，建立了理想临界直径D0的概念。假设淬火介质的淬冷烈度H为无穷大，即试样淬入冷却介质时其表面温度可立即冷却到淬火介质的温度，此时所能淬透（形成50马氏体）的最大直径称为理想临界直径Di。Di取决于钢的成分，而与试样尺寸及冷却介质无关，它是反映钢淬透性的基本判据。该数值在工程应用时作为基本换算量，从而使各种淬透性评定方法之间，以及不同淬火介质中淬火后的临界直径之间建立起一定的关系。图3-7是理想临界直径Di与一定淬火介质中淬火时的临界直径D0之间的换算图表。例如，已知某种钢的理想临界直径Di为50m

14、m，如换算成在油淬（淬冷烈度H0.4）时的临界直径D0，可从H0.4时所对应的坐标上查出D0为20 mm。图3-7 临界直径D0与理想临界直径Di的关系01.61.20.80.42.02.42.81.61.20.80.42.0临界直径 D0/in临界直径 D0/cm41235/in154326/cm理想临界直径 Di0.100.200.400.800.01H值H值10.05.02.01.0(3) 末端淬火法 简称端淬试验，是目前国内外应用最广泛的淬透性评定方法，其主要特点是方法简便、应用范围广，可用于测定碳素钢、合金结构钢、弹簧钢、轴承钢、合金工具钢等的淬透性。端淬试验所用试样为f 25100

15、 mm的圆柱形试样，将试样加热奥氏体化后放到端淬试验台上对其下端喷水冷却（图3-8a）。喷水柱自由高度为65 mm，喷水管口距试样末端为12.5 mm，水温为10-30C。待试样全部冷透后，将试样沿轴线方向在相对180的两边各磨去0.20.5 mm的深度，获得两个互相平行的平面，然后从图3-8 端淬试验与淬透性曲线a)试样与装置 b)淬透性曲线距水冷端1.5 mm处沿轴线测定洛氏硬度值，当硬度下降缓慢时可以每隔3 mm测一次硬度。将测定结果绘成硬度分布曲线，即钢的淬透性曲线（图3-8b）。钢的淬透性以J来表示，d为至水冷端的距离，HRC为在该处测定的硬度值。如J，表示距水冷端6 mm处试样的硬

16、度值为40 HRC。由于钢中成分波动，所以每一种钢的淬透性曲线上都有一个波动范围，称为淬透性带。钢的顶端淬火淬透性曲线并不能直接表示出可以淬透的工件直径，还需借助其他图表进行换算。四、淬透性曲线的应用 钢的淬透性及淬透性曲线，在合理选择材料、预测材料的组织与性能以及制定热处理工艺等方面都具有重要的实用价值。这里简要介绍淬透性曲线的几个主要用途。 1根据淬透性曲线求圆棒工件截面上的硬度分布例如，欲选用45Mn2钢制造f50 mm的轴，试求经水淬后其截面上的硬度分布曲线。冷却速度相对应的：255075100201546表面3R/4R/2中心01.534.567.591215182427364872

17、b至水冷端距离/mm圆棒直径/mm在700时冷却速度/s-1255075100表面3R/4R/2中心a圆棒直径/mm495440330220165105554130252116.51410.5986.55.54.53.42.22.42.60由图3-9a可以查出f50 mm圆棒截面上不同位置处对应的端淬距离：取圆棒直径50 mm，引一水平线与表面、3R/4、R/2（R为圆棒试样半径）及中心的曲线相交，得到至水冷端的距离。再由45Mn2钢的淬透性曲线（图3-10a）可查得对应点的硬度分别为表面55HRC，3/4R处52HRC，1/2R处42HRC，中心31HRC。根据这些数据，即可画出硬度分布曲线

18、。图3-9 圆棒直径及截面上的位置与端淬试样上至水冷端距离的关系a 圆棒静水中淬火 b 圆棒静油中淬火 2根据工件的硬度要求，用淬透性曲线协助选择钢种与热处理工艺 若已知圆形截面工件的尺寸大小和淬火后对不同部位所要求的硬度和组织，通过淬透性曲线可以查出硬度与对应的淬火冷却速度之间的关系，从而选择适当的淬火介质。例如用40MnB钢制造45mm的轴，要求淬火后在3R/4处有80的马氏体组织，而在R/2处的硬度不低于40HRC，问油淬是否合适?首先由图3-3查得wc为0.4的钢淬火后具有80马氏体组织时，硬度值为45HRC。然后，根据图3-9b从纵坐标上直径为45mm处作一水平线，分别找出它在3R/

19、4、R/2处的交点的横坐标即对应的端淬试样上的距离，再从40MnB钢的端淬曲线（图3-10b）上找出对应的硬度值。可见，油淬不能满足要求，如水淬，则满足要求。如果水淬仍不能满足要求，则必须改用淬透性更好的材料。 3. 根据淬透性曲线确定钢的临界淬透直径 要确定钢的临界淬透直径，必须借助于三个图：碳含量与半马氏体区硬度的关系图；钢的淬透性曲线图；确定淬透性的线解图（表示工件形状、工件尺寸、工件冷却速度、冷却介质、淬火加热温度、至半马氏体区和马氏体区的距离之间关系的线解图，可从相关手册查到）。首先根据钢的碳含量从图3-3中查出半马氏体区的硬度值，再利用钢的淬透性曲线求得与该硬度值对应的端淬试样上至

20、水冷端的距离，最后利用确定淬透性的线解图，便可求出在某种淬火介质中应有的临界淬透直径。图3-10 钢的淬透性曲线a) 45Mn2钢 b) 40MnB钢a0369121518212427303336394215202530354045505560至水冷端的距离/mm硬度HRCb1.54.572483036241815129630272142HRC38HRC45HRC27HRC30HRCHRC6050403002010至水冷端距离/mm水淬可以油淬不行图3-11 理想淬火介质的冷却曲线时间温度MsAc13.3 淬火介质淬火工艺中冷却工序十分重要，而影响冷却过程的主要因素就是冷却介质。根据过冷奥氏体

21、等温转变图(图3-11)可知，650C时奥氏体较为稳定，650400C时奥氏体最不稳定，1，则表示其冷却能力比静水大；若H500C）。一、低温回火 对要求具有高的强度、硬度、耐磨性及一定韧性的淬火零件，通常要进行低温回火，获得以回火马氏体为主的组织，淬火内应力得到部分消除，淬火时产生的微裂纹也大部分得到愈合。因此，低温回火可以在很少降低硬度的同时使钢的韧性明显提高，故凡是由中、高碳钢制成的工、模、量具和滚珠轴承等都采用低温回火。工、模具的回火温度一般取200C左右，轴承零件的回火一般取160C左右。至于量具，除要求有高硬度和耐磨性以外，还要求有良好的尺寸稳定性，而这又与回火组织中未分解的残留奥

22、氏体有关。因此，在低温回火以前，往往要进行冷处理使其转变为马氏体。对于高精度量具如块规等，在研磨之后还要在更低温度（100150C）进行时效处理，以消除内应力和稳定残留奥氏体。 低碳钢淬火得到马氏体，本身具有较高的强度、塑性和韧性，低温回火可减少内应力，使强韧性进一步提高。因此，很多用中碳钢调质处理制造的结构零件，已经用低碳钢或低碳合金钢淬火和低温回火来代替。 渗碳和氮碳共渗零件不仅要求表面硬而耐磨，同时要求心部有良好的塑性和韧性。这类零件实质上相当于表层高碳钢与心部低碳钢的一种复合材料，因此用低温回火可以同时满足这两部分的要求。通常渗碳和氮碳共渗零件的回火温度为160200C。二、中温回火

23、钢的弹性极限在250350C之间中温回火时出现极大值，而350500C范围内的中温回火就是利用这一特征，使钢获得回火托氏体组织，并使钢中的第二类内应力大大降低，从而使钢在具有很高的弹性极限的同时，具有足够的强度、塑性和韧性。 中温回火主要用于wc为0.60.9的碳素弹簧钢和wc为0.450.75的合金弹簧钢。碳素弹簧钢的回火温度取范围的下限，如65钢在380C回火；合金弹簧钢的回火温度取范围的上限，如55Si2Mn钢在480C回火，因为合金元素提高了钢的回火抗力。为避免发生第一类回火脆性，中温回火温度不应低于350C。 除此之外，对小能量多次冲击载荷下工作的中碳钢工件，采用淬火后中温回火代替传

24、统的调质处理，可大幅度提高使用寿命。三、高温回火 淬火加高温回火又称调质处理，主要用于中碳结构钢制造的机械结构零部件。钢经调质处理后，得到由铁素体基体和弥散分布于其上的细粒状渗碳体组成的回火索氏体组织，使钢的强度、塑性、韧性配合恰当，具有良好的综合力学性能。与片状珠光体组织相比，在强度相同时，回火索氏体的塑性和韧性大幅度提高。例如40钢经正火和调质两种不同的热处理后，当强度相等时，调质处理的伸长率提高50，断面收缩率提高80，冲击韧度提高100。因此，高温回火广泛应用于要求优良综合性能的结构零件，如涡轮轴、压气机盘以及汽车曲轴、机床主轴、连杆、连杆螺栓、齿轮等。 高温回火的温度均在500C上，

25、主要依据钢的回火抗力和技术条件而定，可根据各种钢的力学性能回火温度曲线选择。 含锰、铬、硅、镍等元素的钢具有第二类回火脆性，因此回火后应采用水冷、油冷等快速冷却方式。 对于具有二次硬化效应的高合金钢，往往通过淬火加高温回火来获得高硬度、高耐磨性和热硬性，高速钢就是其中的典型。此时必须注意的是：高温回火必须与恰当的淬火相配合才能获得满意的结果。例如Cr12钢，如果在980C淬火，由于许多碳化物未能溶入奥氏体，奥氏体中的合金元素和碳含量较低，淬火后的硬度虽高，但高温回火后硬度反而降低。如果将淬火温度提高到1080C，使奥氏体中的合金元素和碳含量增加，淬火后出现大量残留奥氏体，硬度较低，但二次硬化效

26、果却十分显著。高温回火后还必须至少在相同温度或较低温度再回火一次，因为高温回火冷却后部分残留奥氏体会发生二次淬火，形成新的淬火马氏体，而未经回火的马氏体是不允许直接使用的（低碳马氏体除外），因此必须再次回火。例如高速钢通常淬火后要在560C回火三次，而国外有的工厂在三次回火后还要增加一次200C的低温回火，以消除任何可能出现的未回火马氏体。 调质处理有时也用作工序间处理或预备热处理。例如淬透性很高的合金钢（如18Cr2Ni4WA）渗碳后空冷硬度很高，切削加工困难，这时可通过高温回火来降低其硬度。需要用感应加热淬火的重要零件，一般以调质处理作为预备热处理。渗氮零件在渗氮前一般也应进行调质处理，等等。在这种情况下，高温回火的温度需要根据所要求的强度或硬度，并结合钢的成分来选定。3.6 钢的表面淬火 齿轮、凸轮、曲轴及各种轴类等零件在扭转、弯曲等交变载荷下工作，并承受摩擦和冲击，其表面要比心部承受更高的应力。因此，要求零件表面具有高的强度、硬度和耐磨性，要求心部具有一定的强度、足够的塑性和韧性。 钢的表面淬火是使零件表面获得高的硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部仍保持良好塑性和韧性的一类热处理方法。它与第十章所述钢的化学热处理不同，表面淬火不改变零件表面的化学成分，而是依靠使零件表层迅速加热到临界点以上（心部仍处于临界点以下），并随之淬冷来达到强化表面的目的。依加热方法的不同，钢的表面淬