钢的淬火与回火 2

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（即淬火临界冷却速度）和下临界冷却速度。以v>vc的速度快速冷却（曲线1），可得到马氏体组织；以vc>v>vc'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，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50mm，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µ10.05.02.01.0(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 25×100 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10-30°C。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01.534.567.591215182427364872b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。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/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。根据过冷奥氏体等温转变图(图3-11)可知，>650°C时奥氏体较为稳定，650400°C时奥氏体最不稳定，<400°C时奥氏体也较为稳定。理想淬火介质应在650°C以上的高温区冷却缓慢以减少变形，在650400°C的中温区冷却很快以避免不稳定奥氏体的分解，在400°C以下的低温区冷却缓慢以避免工件变形和开裂，这是选择淬火介质的依据。一、淬火介质的分类与要求 根据物理特性，淬火介质可分为如下两大类： (1) 淬火时发生物态变化的淬火介质 包括水、油和水溶液等，其沸点远低于工件的淬火加热温度，赤热工件淬入其中后会汽化沸腾，使工件强烈散热，此外，在工件与介质的界面上还可以以辐射、传导、对流等方式进行热交换； (2) 淬火时不发生物态变化的淬火介质 包括各种熔盐、熔融金属等，其沸点高于工件的淬火加热温度，赤热工件淬入其中时不会汽化沸腾，而只以辐射、传导和对流的方式进行热交换。 对淬火介质一般的要求是：无毒、无味、经济、安全可靠；不易腐蚀工件，淬火后易清洗；成分稳定，使用过程中不易变质；在过冷奥氏体不稳定的中温区有足够的冷却速度，在低温马氏体转变区有较缓慢的冷却速度，以保证淬火质量；在使用时，介质粘度应较小，以增加对流传热能力和减少损耗。二、有物态变化的淬火介质 1冷却特性与冷却机理 淬火介质的冷却特性是指试样温度与冷却时间或试样温度与冷却速度之间的关系。测定冷却特性通常采用热导率很高、尺寸一定的银球试样，将其加热到一定温度后迅速置入淬火介质中，利用安放在银球中心的热电偶测出其心部温度随冷却时间的变化，再根据这种温度时间曲线换算求得冷却速度温度关系曲线。 赤热工件进入淬火介质（以水为例）后，其冷却过程大致可分为三个阶段：(1) 蒸汽膜阶段 当工件进入淬火介质后，工件周围介质立即被加热汽化，并在工件表面形成一层蒸汽膜，将工件与液体介质隔离。由于蒸汽膜的导热性较差，故使工件的冷却速度较慢，如图3-12中的AB段。冷却开始时，由于工件向淬火介质放出的热量大于通过蒸汽膜向周围介质散发的热量，图3-12 淬火过程的冷却机理温度IIIIIIDCABO时间故蒸汽膜的厚度不断增加。随着冷却的进行，工件温度不断降低，膜的厚度及其稳定性也逐渐变小，直至破裂消失，这是冷却的第I阶段。蒸汽膜开始破裂的温度（图3-12中的B点）称为淬火介质的“特性温度”，是评价淬火介质的重要指标。对20的水，其特性温度约为300°C。(2) 沸腾阶段 蒸汽膜破裂后，冷却介质与工件直接接触，在工件表面激烈沸腾而带走大量热量，故冷却速度很快，如图3-12中的BC段。沸腾阶段前期冷却速度很大，随工件温度下降而逐渐减慢，直到介质的沸点为止，这是冷却的第II阶段。(3) 对流阶段 工件冷至低于介质的沸点后，主要靠对流传热方式进行冷却，这时工件的冷速甚至比蒸汽膜阶段还要缓慢，如图3-12中的CD段。随工件与介质温差的不断减小，冷却速度越来越小，这是冷却的第III阶段。 2常用淬火介质(1) 水 图3-13为水在静止与流动状态的冷却特性。可见，静止水的蒸汽膜阶段温度范围很宽，在800380°C温度范围，此阶段的冷速很慢，不超过180°C/s；温度低于380°C才进入沸腾阶段使冷却速度急剧上升，在280°C左右冷速达最大值，约770°C/s。水的冷却特性与理想淬火介质的冷却特性恰恰相反。水作为淬火介质的主要优点是价廉、安全、清洁，而且具有比较强烈的冷却能力，因此是应用最早、也是最广的淬火介质。 水作为淬火介质的主要缺点是：冷却能力对水温的变化很敏感，水温升高，冷却能力便急剧下降，并使最大冷速对应的温度移向低温（图3-13），故使用温度一般为1040°C，最高不超过60°C；在碳素钢过冷奥氏体的最不稳定区（500600°C左右），水处在蒸汽膜阶段，冷却速度较低，奥氏体易发生高温转变，因此工件在淬入水中后应不断晃动以破坏蒸汽膜，尽快进入沸腾阶段。而在马氏体转变区的冷速太大，易使工件严重变形甚至开裂；不溶或微溶杂质（如油、肥皂等）会显著降低其冷却能力，使工件淬火后易产生软点。图3-13 水的冷却特性 a)静止水 b)循环水 (2) 盐水与碱水 为了提高水的冷却能力，往往在水中添加一定量（一般为5%10%）的盐或碱，例如食盐水溶液、苛性钠水溶液等。溶入水中的盐、碱等，淬火时随着水的汽化在工件表面析出并爆裂，使蒸汽膜提早破裂，沸腾阶段提前。常用的NaCl盐水溶液浓度为510，在500650°C区间的冷却能力约为水的10倍。在200300°C区间内，冷速比水快，但在200°C以下时，冷速和水相同。因此，在盐水中淬火，其变形、开裂倾向比水小。此外盐水冷却能力受温度的影响也较纯水为小。盐水的使用温度为60°C以下，已广泛用于碳钢的淬火。 常用的碱水为浓度515的苛性钠（NaOH）水溶液，它在高温区的冷却速度比盐水高，而在低温区的冷速比盐水低。碱水浓度越高，低温区的冷却速度越小。因此在碱水中淬火，不仅可得到高而均匀的硬度，且工件变形、开裂的倾向也较小。此外，工件表面的氧化皮在苛性钠的作用下可脱落，淬火后的工件表面洁净，呈银灰色。但是，碱水的价格较高。另外，由于盐和碱附着在工件表面，使工件在空气中极易产生锈蚀，因此淬火以后必须将工件清洗干净。盐水与碱水的缺点是在低温（100300°C）区间冷速仍很大，并对工件、设备有一定腐蚀作用等。 (3) 油 常用的淬火油有L-AN15、L-AN32、L-AN46全损耗系统用油（10号、20号、30号机械油）等，号数越高，粘度越大。用油作为淬火介质的主要优点是：油的沸点一般比水高150300°C，其对流阶段的开始温度比水高得多。由于在一般钢的Ms点附近已进入对流阶段，故马氏体相变区的冷速远小于水，这对减小钢的变形与开裂倾向十分有利。油作为淬火介质的主要缺点是：中温区间的冷却能力太小，仅为水的1/51/6，只能用于合金钢或小尺寸碳钢工件的淬火。此外，油经长期使用后还会发生老化，故需定期过滤或更换新油等。 粘度是影响淬火油冷却能力的一个重要因素。适当提高油温可降低粘度，增加流动性，从而提高其冷却能力。通常油温应控制在6080°C，在这一温度范围冷却能力最好，又不致使油老化。 闪点是指油表面上的蒸汽和空气自然混合时与火接触而出现火苗闪光的温度。常用矿物油的闪点为：L-ANl5（10号机油），165°C；L-AN32（20号机油），170°C；L-AN46（30号机油），180°C；L-AN68（40号机油），190°C。油温一般应保持在闪点以下100°C左右，以免着火。闪点高的油，可用于等温淬火或分级淬火。 在油中添加油溶性高分子添加剂可获得光亮淬火油，满足淬火后工件表面光亮的需要。此外还发展了真空淬火油用于真空淬火，其饱和蒸汽压很低，不易挥发，不易污染炉膛并很少影响真空度，有较好的冷却特性，淬火后工件表面光亮，热稳定性好。表3-2 几种常用淬火介质的淬冷烈度H淬火介质H6505503002000°C水1.061.0218°C水1.001.0050°C水0.171.00100°C水0.0440.7118°C10NaOH水溶液2.001.1018°C10NaCl水溶液1.831.1050°C全损耗系统用油（机械油）0.250.1150°C变压器油0.200.0910%油在水中的乳化液0.120.74肥皂水0.050.74空气（静止）0.0280.007真空0.0110.0004表3-3 搅拌对淬火介质淬冷烈度H的影响搅拌程度H空气油水盐水盐浴（204°C）静止0.0080.250.300.91.12.00.50.8轻微搅动0.300.351.01.12.02.2中等搅动0.400.501.41.5激烈搅动0.200.801.104.02.25端淬喷水2.55.0 3淬冷烈度 为了比较不同介质对工件的冷却能力，规定以18°C静止水的冷却能力作为标准，定义其淬冷烈度H1。如果H>1，则表示其冷却能力比静水大；若H<1，则表示其冷却能力比静水小。表3-2为常用介质的H值，可见水温对冷却能力的影响很大，50°C的水在650500°C的冷速比50°C的矿物油还要慢，在马氏体转变区又与18°C水几乎一样，说明水温升高对淬火是不利的。搅动对淬火介质的冷却能力影响很大，可使介质的淬冷烈度有较大幅度提高（表3-3）。三、无物态变化的淬火介质 这类淬火介质主要指熔盐、熔碱及熔融金属，多用于分级淬火及等温淬火。这类介质的传热方式是传导和对流，因此其冷却能力除取决于介质本身的物理性质（如比热容、导热性、流动性等）外，还和工件与介质间的温度差有关。工件温度较高时，介质的冷却速度很高，工件温度接近介质温度时，冷却速度迅速降低。表3-4为常用熔盐与熔碱的成分和使用温度范围。表3-4 常用的熔盐与熔碱的成分和使用温度序号成分（质量分数）熔化温度/°C使用温度/°C150KNO350NaNO3220245500255KNO345NaNO3137150500372KOH19NaOH2KNO22NaNO25H2O1401603004100NaNO3308350500575CaCl225NaCl500540800四、其他新型淬火介质 作为淬火介质，水的主要缺点是低温区的冷却速度过大，易引起工件的变形与开裂，而油的主要缺点则是中温区的冷却能力太小，易造成过冷奥氏体的分解，两者都不够理想。为此广大热处理工作者都在致力于寻求新的淬火介质，力图使其兼有水和油的优点，并且可以调节其成分以调整冷却速度。现就几种新型淬火介质简要介绍如下。 1过饱和硝盐水溶液 这类淬火介质的典型成分（质量分数）为25NaNO3、20NaNO2、20KNO3和35H2O，最佳使用温度为70。该介质在中温区冷却能力比盐水小，但比油大，而在低温区冷却能力与油相近，综合了盐水和油的优点。 2水玻璃淬火剂 它是用水稀释成不同浓度的水玻璃（Na2SiO3）溶液。水玻璃水溶液中加入盐和碱后，蒸汽膜不稳定而使蒸汽膜阶段缩短，冷却速度加快；但由于水玻璃的作用又较盐（碱）水为小，因此，在沸腾阶段冷却能力较水差，较油强。在低温，由于表面覆盖一层水玻璃膜，故冷却较慢。调节成分可使之具有不同的冷却速度，水玻璃含量低时冷却快；含量高时冷却变慢。例如，“351”淬火剂的配比（质量分数）为79的水玻璃、1114的NaCl、1114的Na2CO3、0.5的NaOH，其余为水。它的使用温度为3065°C，冷却速度介于油与水之间。 3氯化锌碱水溶液 这种淬火剂的成分（质量分数）为：49ZnCl249NaOH2肥皂粉，再加300倍水稀释。使用时要搅拌均匀，使用温度为2060°C。其特点是：中温区冷速比水快，低温区冷速比水慢，淬火后工件变形小，表面光亮，适用于中小尺寸、形状复杂的中、高碳钢制工模具的喷射淬火。 4有机聚合物水溶液 这是近年来兴起的新型淬火介质，如聚乙烯醇水溶液、聚醚水溶液等。 在水中加入聚乙烯醇，不仅增加了水的粘度，而且在冷却过程中在工件表面形成一层粘的塑性膜。这层塑性薄膜在冷却过程中的蒸汽膜阶段出现，使蒸汽膜冷却阶段的冷速进一步降低；但更重要的是能大大降低对流冷却阶段的冷速，聚乙烯醇含量（体积）为0.05时，已有明显效果。 在生产上，聚乙烯醇含量一般控制在0.10.3范围内。理想的使用温度为1540°C。可用于喷射冷却，也可用以浸没冷却。溶液中聚乙烯醇含量越多，溶液粘度越大，冷却特性越接近油。 这种淬火介质的优点是可以用不同的聚乙烯醇含量得到不同的冷却速度，而且冷却特性比较好，此外，这种介质无毒、不燃烧、不侵蚀工件、对人体安全，供应方便，添加量少，成本低。不足之处是在沸腾冷却阶段的冷却速度仍较低，浓度及液温必须严格控制。聚乙烯醇溶解较难，必须加热至90左右并搅拌2h以后才能全部溶解，且长期使用也会发生老化，并使冷却能力大为降低，伴有臭味产生。聚乙烯醇水溶液广泛用于合金结构钢及碳素工具钢、轴承钢等多种材料的淬火。 聚醚水溶液国外称为“UCON'淬火介质，主要成分为环氧乙烷和环氧丙烷。特点是聚醚能以任何比例与水互相溶解，故可通过调节浓度来控制冷却速度在水、油之间，因而有万能淬火剂之称，缺点是价格昂贵。3.4 淬火工艺 在工件的加工工艺流程中，淬火是使工件强化的最重要的工序。淬火工件的外形尺寸及几何精度在淬火前已处于最后完成阶段；精密工件尽管在淬火回火后仍需精密加工，但所留加工余量已很小。因此，淬火不仅要保证良好的组织和性能，而且还要保持其尺寸精度。事实上这二者之间往往存在矛盾。为了获得足够的硬度和淬透深度需激烈地冷却工件，但这又势必导致淬火应力的产生，增加变形开裂倾向。因此，淬火工艺远较退火、正火等工艺复杂，必须灵活运用马氏体、贝氏体相变的规律，根据不同的材料，针对不同的热处理技术要求，合理制定淬火工艺规程。一、淬火加热规程 淬火加热规程主要指的是在淬火加热工艺中的加热温度、加热速度与保温时间这三个工艺参数，由于奥氏体化程度（成分、组织状态）对淬火钢的组织与性能有着决定性的影响，因此，正确选择与控制淬火加热规程十分重要。 1淬火加热温度 确定淬火加热温度最基本的依据是钢的成分，即临界点的位置（Ac1、Ac3）。亚共析钢淬火加热温度是Ac33050°C，共析钢和过共析钢淬火加热温度是Ac13050°C，这是因为在这样一个温度范围内奥氏体晶粒较细并溶入足够的碳，因此，淬火后可以得到细晶粒的马氏体组织。亚共析钢若加热到Ac3以下淬火，会因自由铁素体的存在而使硬度不均匀。但过共析钢中存在少量未溶的二次碳化物，不仅不影响工具钢的硬度和耐磨性，而且通过适当调节过冷奥氏体中的含碳量还可以使马氏体形态得到控制，从而减少马氏体的脆性以及淬火后残留奥氏体的数量。若加热温度太高，将形成粗大马氏体组织使力学性能恶化，同时增加了淬火应力及变形开裂倾向。 选择零件的淬火加热温度还与加热设备、工件尺寸大小、工件的技术要求、工件本身的原始组织、淬火介质及淬火方法等因素有关。空气炉中加热比在盐浴炉中加热略高1030°C；对形状复杂、截面变化突然、易变形开裂的工件，一般选择淬火加热温度的下限，有时采取出炉后预冷再淬火。为提高较大尺寸零件的表面硬度和淬透深度，淬火加热温度可适当提高，尺寸较小的零件则应选择稍低的加热温度。采用冷速较慢的油、硝盐等淬火介质时，加热温度比水淬提高约20°C。当原始组织是极细珠光体时，加热温度应适当降低。 低合金钢淬火加热温度也应根据临界点Ac1、Ac3来确定，但考虑到合金元素的影响，为加速奥氏体化又不引起奥氏体晶粒粗化，一般应为Ac1(或Ac3)50100°C。 确定中、高合金钢淬火加热温度时，应考虑合金元素的溶解与再分配。强碳化物形成元素与碳可形成稳定碳化物，延缓其溶入奥氏体，同时由于合金元素在奥氏体中扩散较慢、不易均匀化，所以淬火加热温度应适当提高。引起淬火加热温度升高的合金元素有铬、钴、钒、铝、钛等。钢中加人了钨、钼、钛、钒、镍、硅等元素，可降低钢的过热敏感性，允许提高加热温度。锰在高碳钢中可降低临界点，增加过热敏感性，淬火温度应取下限。钼钢由于有较高的脱碳敏感性，也不宜在高温加热。运用马氏体、贝氏体形态的形成规律来指导淬火加热规范的优选，具有十分重要的现实意义。低碳马氏体钢由于受到低淬透性的限制，往往采用高温淬火以利于实现沿截面的整体强韧化。中碳及中碳合金钢适当提高淬火温度，将抑制片状孪晶马氏体的形成，能获得较多的韧性较高的板条马氏体。高碳钢采用低温淬火或快速加热来限制奥氏体中固溶的碳含量，可以增加淬火组织中板条马氏体的量，减少片状马氏体中的显微裂纹，从而减少钢的脆性。此外，提高淬火温度及延长保温时间使奥氏体中含碳量提高，将降低马氏体临界点，从而增加残留奥氏体量。 表3-5 列出了部分常用钢的临界点与淬火加热温度。表3-5 部分常用钢的淬火加热温度钢号临界点/淬火温度/钢号临界点/淬火温度/Ac1Ac3，AcmAc1Ac3，Acm45724780820840°C盐水840860°C碱浴40SiCr755850900920°C油或水T10730800780800°C盐水810830°C硝盐、碱浴35CrMo755800850870°C油或水CrWMn750940830850°C油60Si2Mn755810840870°C油9SiCr770870850870°C油860880°C碱浴、硝盐20CrMnTi740825830850°C油Cr12MoV810120010201150°C油30CrMnSi760830850870°C油W18Cr4V820133012601280°C油20MnTiB720843860890°C油40Cr743782850870°C油40MnB730780820860°C油60Mn727765850870°C油38CrMoAl800940930950°C油 2加热与保温时间 加热与保温时间由工件入炉后炉温到达指定温度所需时间t1、工件透烧时间t2及组织转变所需时间t3所组成。 t1与设备功率及装炉量、工件尺寸等有关。设备功率大，加热速度快，t1就短。盐浴炉加热比箱式炉快，而燃油、燃气炉又比电炉加热时间要短。例如，25 mm´100 mm的工件，在1000°C盐浴炉中加热时仅需4 min即可透烧，而在1000的马弗炉中则需40 min。 工件透烧时间t2主要取决于工件形状及尺寸，也与材料本身的导热性有关。 组织转变所需时间t3，对于碳钢及低合金结构钢，由于碳化物溶解较快，透烧后一般保温5-15min就足够了。对于中合金结构钢，可保温15-25min。对形成稳定碳化物的合金元素含量较高的钢，必须考虑合金元素的溶解和成分均匀化所需的时间，以发挥合金元素提高淬透性的作用。 生产中常用“加热系数”来估算加热时间，该时间按工件入炉后仪表指示到指定温度时开始计算： taKDeff (3-1)式中，a 为加热系数（表3-6）；Deff为工件有效厚度（图2-2）（mm）；K为与装炉量有关的系数，一般为1-1.5。对于形状复杂但要求变形小的工件，或高合金钢制的工件、大型合金钢锻件，必须考虑限速升温或阶梯升温，以减小变形及开裂倾向。否则，由于工件温度不均匀将在加热过程中形成很大的热应力和组织应力。表3-6 碳钢及合金钢在不同介质中的加热系数a钢材a/min×mm-1空气炉流动粒子炉盐浴炉碳钢0.91.10.40.5合金钢1.31.60.51.0高速钢0.150.2（经二次预热）815s（经二次预热）二、淬火冷却方法 不同淬火冷却方法的选择应按工件的材料及其对组织、性能、尺寸精度的要求来定。显然，在保证技术条件要求的前提下应选择最简便最经济的淬火冷却方法。 各种淬火方法的工艺特点叙述如下。图3-14 各种淬火冷却方法的冷却曲线示意图1单液淬火 2双液淬火3分级淬火 4等温淬火时间温度MsAc14321 1. 单液淬火单液淬火是将奥氏体化后的工件直接淬人一种淬火介质中连续冷却至室温的方法（图3-14曲线1）。此时对一定成分和尺寸的工件来说，淬火组织性能与所用淬火介质的冷却能力有重大关系。目前各种新型淬火介质主要适用于这种单液淬火。由于该工艺过程简单、操作方便、经济，适合大批量作业，故在淬火冷却中应用最广泛。对于形状复杂、截面变化突然的某些工件，单液淬火时往往在截面突变处因淬火应力集中而导致开裂，此时可以将工件自淬火温度取出后先预冷一段时间，然后再淬火，以降低工件进入淬火介质前的温度，减少工件与淬火介质间的温差，从而减少淬火变形和开裂倾向。 2. 双液淬火由于单液淬火不能满足某些工件对组织性能及控制变形的要求，所以采用先后在两种介质中进行冷却的方法，如水一油、油一空气等。其作用是在过冷奥氏体转变曲线的鼻尖处快速冷却避免过冷奥氏体分解，而在Ms点以下缓慢冷却以减小变形和开裂（图3-14曲线2）。例如，对于某些淬透性较差的钢（如高碳钢）用盐水淬火易裂，用油淬不硬，往往采用水一油双液淬火。即在高温区用盐水快速冷却来抑制过冷奥氏体的分解，至400左右转入油中缓慢冷却以减少淬火应力，通常用水中停留时间来控制工件温度。经验表明，对碳素工具钢工件一般以每3mm有效厚度停留1s计算；对形状复杂者每4-5mm在水中停留1s；大截面低合金钢可以按每mm有效厚度停留1.5、3s计算。双液淬火法要求较熟练的操作技术，否则，难于掌握好。 3. 喷射淬火 它是向工件喷射急速水流的淬火方法，主要用于局部淬火的工件。这种淬火方法不会在工件表面形成蒸汽膜，故可保证比普通水淬得到更深的淬硬层。采用细密水流并使工件上下运动或旋转，可保证工件均匀冷却淬火。 4. 分级淬火 分级淬火是将奥氏体化后的工件首先淬入略高于钢的Ms点的盐浴或碱浴炉中保温一段时间，待工件内外温度均匀后，再从浴炉中取出空冷至室温（图3-14曲线3）。这种淬火方法可保证工件表面和心部马氏体转变同时进行，并在缓慢冷却条件下完成，不仅减小了淬火热应力，而且显著降低组织应力，因而有效地减小或防止了工件淬火变形和开裂，同时克服了双液淬火时间难以控制的缺点。但这种淬火方法由于冷却介质温度较高，工件在浴炉中冷却较慢，而保温时间又有限制，大截面零件难以达到其临界淬火速度。因此，分级淬火只适用于尺寸较小的工件，如刀具、量具和要求变形很小的精密工件。 “分级”温度也可在略低于钢Ms点的浴炉中保温，此时由于温度较低，冷却速度较快，恒温停留中已有部分奥氏体转变为马氏体，当工件取出空冷时，剩余奥氏体发生马氏体转变。因此，这种淬火方法适用于较大尺寸的工件。 5. 等温淬火 它是将奥氏体化后的工件淬入Ms点以上某温度的盐浴中等温足够长的时间，使之转变为下贝氏体组织，然后在空气中冷却的淬火方法（图3-14曲线4）。等温淬火实际上是分级淬火的进一步发展，所不同的是等温淬火获得下贝氏体而不是马氏体。等温淬火的加热温度通常比普通淬火高些，目的是提高奥氏体的稳定性，防止发生珠光体类型组织转变。等温温度和时间视工件组织和性能要求，根据钢的过冷奥氏体转变曲线确定。由于等温温度比分级淬火高，减小了工件与淬火介质间的温差，从而减小了淬火热应力；又因贝氏体体积比马氏体小，而且工件内外温度一致，故淬火组织应力也较小。因此，等温淬火可以显著减小工件变形和开裂倾向，适于处理形状复杂、尺寸要求精密的工具和重要的机器零件，如模具、刀具、齿轮等。同分级淬火一样，等温淬火也只能适用于尺寸较小的工件。 6. 冷处理 许多钢的马氏体转变终了点（Mf）低于室温，淬火冷却到室温时，马氏体或贝氏体相变不完全，故室温下的淬火组织中保留一定数量的残留奥氏体。为使残留奥氏体继续转变为马氏体，则要求将淬火工件继续深冷到零下温度进行“冷处理”。因此，实际上冷处理是淬火过程的继续。实践表明，在一般情况下，冷处理的温度达到-60°C-80°C即可满足要求。 应当指出，并非所有工件和钢种都需进行冷处理，主要是针对一些高碳合金工具钢和经渗碳或氮碳共渗的结构钢零件，为提高其硬度和耐磨性，或为保持其尺寸稳定性（对精度要求高的零件而言）才进行这一工序。还应注意，冷处理应在淬火后及时进行，否则会降低冷处理的效果。3.5 回火工艺 回火是将淬火后的钢在A1以下温度加热，使其转变为稳定的回火组织，并以适当方式冷却的工艺过程。回火的主要目的是减少或消除淬火应力，保证相应的组织转变，提高钢的塑性和韧性，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合，稳定工件尺寸，以满足各种用途工件的性能要求。 制定回火工艺，就是根据对工件性能的要求，依据钢的化学成分、淬火条件、淬火后的组织和性能，正确选择回火温度、保温时间和冷却方法。钢件回火后一般采用空冷，但对回火脆性敏感的钢在高温回火后需要油冷或水冷。回火时间从保证组织转变、消除内应力及提高生产效率两方面考虑，一般均为1-2h。因此，回火工艺的制定主要是回火温度的选择。在生产中通常按所采用的温度将回火分成三类，即低温回火（150250°C）、中温回火（350500°C）和高温回火（>500°C）。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200°C左右，轴承零件的回火一般取160°C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（100150°C）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160200°C。二、中温回火 钢的弹性极限在250350°C之间中温回火时出现极大值，而350500°C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380°C回火；合金弹簧钢的回火温度取范围的上限，如55Si2Mn钢在480°C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350°C。 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500°C上，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980°C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1080°C，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560°C回火三次，而国外有的工厂在三次回火后还要增加一次200°C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