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钢的淬火
淬火
Part 01
淬火的加热温度及冷却介质选择
Part 02
常用的淬火方法
Part 03
钢的淬火缺陷
Part 04
淬火
一、淬火
1. 淬火的概念和目的
淬火是指将工件加热至奥氏体化后以适当方式冷却，获得马氏体或（和）贝氏体组织的热处理工艺。
马氏体是碳或合金元素在α-Fe中的过饱和固溶体，是单相亚稳组织，硬度较高，用符号M表示。马氏体的硬度主要取决于马氏体中碳的质量分数，马氏体中碳的质量分数越高，其硬度也越高。
淬火的主要目的是使钢铁材料获得马氏体或（和）贝氏体组织，提高钢铁材料的硬度和强度，并与回火工艺合理配合，获得需要的便用性能。
一、淬火
史海拾贝
公元前6世纪，钢铁兵器逐渐被使用，为了提高钢的硬度，淬火工艺得到迅速发展。
在河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体，说明它们是经过淬火处理的。
一、淬火
2. 淬火工艺原理
不同钢种的淬火加热温度不同。
非合金钢的淬火加热温度可由铁碳合金相图确定，如图1所示。
（1）淬火加热温度
一、淬火
亚共析钢的淬火加热温度发Ac3以上30~50℃，因为在此温度范围内，可全部获得细小的奥氏体晶粒，淬火后得到均匀细小的马氏体组织。如果加热温度过高，则容易导致奥氏体晶粒粗大，使钢材淬火后的使用性能变差；如果加热温度过低，则淬火组织中尚有未溶的铁素体组织，从而使钢材淬火后的硬度不足，达不到技术要求。
共析钢和过共析钢的淬火加热温度为AC1以上30~50℃，此时钢材中的组织为奥氏体加碳化物（或渗碳体）颗粒，淬火后可以获得细小的马氏体组织和球状碳化物（或渗碳体），能够保证钢材淬火后获得高硬度和高耐磨性。如果加热温度超过Accm，将导致钢材中的碳化物（或渗碳体）消失，奥氏体晶粒粗化，淬火后得到粗大针状马氏体，而且残余奥氏体数量增多，硬度和耐磨性降低，脆性增大；相反，如果淬火温度过低，则可能得到非马氏体组织（如铁素体），钢材的硬度达不到技术要求。
一、淬火
淬火加热时间包括升温时间和保温时间。保温时间是指炉温达到预定温度，保持这一温度持续加热，使工件材料内部组织得以充分转变的时间。
在实际操作中，通常是先将加热炉温度升到所确定的加热温度，然后将钢件装人炉内，此时炉温会略下降，等待炉温重新升到所确定的加热温度时，开始计算保温时间。
（2）加热时间
一、淬火
要想既保证获得马氏体组织，又尽量避免钢件发生变形与开裂，理想的淬火冷却速度曲线如图2所示。在C曲线“鼻”尖”附近（650~550℃）应快冷，使钢件冷却速度大于临界冷却速度vk（钢件淬火时抑制非马氏体转变的冷却速度下限）；而在Ms线附近（300~200℃）应缓冷，以防止马氏体转变过程中产生较大的淬火内应力。
（3）淬火速度
图2 理想的淬火冷却速度曲线
一、淬火
到目前为止，还很难找到一种完全符合要求的理想淬火冷却介质，但在实际生产中可根据工件的技术要求、材质及形状，科学合理地选择淬火方法，来弥补淬火冷却介质的不足。常用的淬火冷却介质有油、水、盐水、硝盐浴、碱浴和空气等。
一、淬火
史海拾贝
相传蒲元是三国时期造刀能手。据宋《太平御览》记载，蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮造刀3000把，他造的刀被誉为“神刀”。蒲元造刀的主要诀窍在于掌握了精湛的钢刀淬火技术。他能够辨别不同水质对淬火质量的影响，并且选择冷却速度快的蜀江水（位于今四川成都）把钢刀淬到合适的硬度。这说明中国在古代就发现了冷却介质对淬火质量的影响，发现了不同水质的冷却能力不同。
一、淬火
3. 淬火方法和应用
根据钢材的化学成分及对组织、性能和钢件尺寸精度的要求，在保证技术要求的前提下，应尽量选择简便、经济的淬火方法。
常用的淬火方法有单液淬火、双液淬火、马氏体分级淬火和贝氏体等温淬水，见表1。
一、淬火
表1 常用淬火方法的概念、淬火冷却曲线、工艺特点及应用范围
名称 单液淬火 双液淬火 马氏体分级淬火 贝氏体等温淬火
概念 将已奥氏体化的钢件在一种淬火冷却介质中冷却的淬火方法 将工件加热奥氏体化后先浸入冷却能力强的介质中，在组织即将发生马氏体转变时立即转入冷却能力弱的介质中冷却的淬火方法 将工件加热奥氏体化后浸人温度稍高于或稍低于Ms线的盐浴或碱浴中，保持适当时间，在工件整体达到冷却介质温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火方法 将工件加热奥氏体化后快冷到贝氏体转变温度区间，等温保持，使奥氏体转变为贝氏体的淬火方法
一、淬火
表1 常用淬火方法的概念、淬火冷却曲线、工艺特点及应用范围（续）
名称 单液淬火 双液淬火 马氏体分级淬火 贝氏体等温淬火
淬火冷却曲线 ①单液淬火②双液淬火③马氏体分级淬火④贝氏体等温淬火
一、淬火
表1 常用淬火方法的概念、淬火冷却曲线、工艺特点及应用范围（续）
名称 单液淬火 双液淬火 马氏体分级淬火 贝氏体等温淬火
工艺特点 操作简单，易实现机械化和自动化 工件淬火应力小、变形小，可防止工件开裂，但对操作技术要求较高 显著减小工件的变形和开裂，操作技术要求较高 工件淬火应力和变形很小，工件的强度、韧性和耐磨性较高，但生产率低，操作技术要求较高
应用范围 形状简单的钢件，如非合金钢水冷淬火、合金钢油冷淬火等 中等复杂形状的高碳钢工件和较大尺寸的合金钢工件 尺寸较小、形状复杂的由高碳钢合金钢制造的工具和模具 尺寸较小、形状复杂、要求变形小的由高碳钢或合金钢制造的工具、模具和弹簧
淬火的加热温度及冷却介质选择
一、淬火的加热温度选择
淬火加热温度的选择应以得到细而均匀的奥氏体晶粒为原则，以便冷却后获得细小的马氏体组织。
亚共析钢的淬火加热温度通常为Ac3以上30～50℃；
过共析钢的淬火加热温度通常为Ac1以上30～50℃。
碳钢淬火温度范围
二、淬火的冷却介质选择
1. 淬火冷却介质选择的原则
淬火冷却介质选择的原则：
（a）淬火的目的是为了获得马氏体组织，为保证获得马氏体组织，故淬火冷却速度必须大于临界冷却速度；
（b）为保证零件不因淬火应力而开裂，要求冷却速度不应太大，应该选择合适的冷却介质。
冷却介质对钢的理想淬火冷却速度应是“慢一快一慢”。
二、淬火的冷却介质选择
二、淬火的冷却介质选择
2. 常用的淬火冷却介质
传统的淬火冷却介质有油、水、盐水、碱水等，它们的冷却能力依次增加。其中，水和油是目前应用最广泛的冷却介质。
水： 主要用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。油： 一般用作合金钢和某些小型复杂碳素钢件的淬火。
盐浴：为了减少零件淬火时的变形，盐浴也常用作淬火介质，主要用于分级淬火和等温淬火。
二、淬火的冷却介质选择
除以上介质外，目前国内外还研制了许多新型的冷却介质，如采用有机物和无机物等配制而成的水溶性聚合物淬火介质和淬火油改性添加剂，由于冷却能力可调整，使用中介质浓度可简便测定，有减少变形、防止淬裂，不锈蚀、免清洗、 无味、无烟雾、不着火，使用温度高，环保、少无污染，正常消耗是传统油淬火的40%等特点，因而在国外已普及推广应用。
但我国仍普遍采用通用的矿物油，一定比例的氯化钠水溶液、碱溶液及硝盐溶液为冷却介质，因而造成严重的污染。
常用的淬火方法
常用的淬火方法
虽然各种冷却介质不符合理想的冷却特性，但在实际生产中，可根据工件的成分、尺寸、形状和技术要求选择合适的淬火方法，最大限度地减少工件的变形和开裂。
常用的淬火方法有①单液淬火、②双液淬火、③分级淬火和④等温淬火等。
常用的淬火方法示意图
一、单液淬火
将钢件奥氏体化后，在单一淬火冷却介质中冷却到室温的处理，称为单液淬火。
单液淬火的特点：操作简单，易实现机械化、自动化。但由于单独用水或油进行冷却，冷却特性不够理想，所以容易产生硬度不足或开裂等淬火缺陷。
单液淬火只适用于形状简单，变形要求不高的工件。通常碳钢采用水、盐水作淬火介质，合金钢一般临界冷却速度较低，采用油作淬火介质。
二、双液淬火（双介质淬火）
双液淬火的定义：将钢件奥氏体化后，先侵入一种冷却能力强的介质中，在钢的组织还未开始转变时迅速取出，马上侵入另一种冷却能力弱的介质中，缓冷到室温，如先水后油，先油后空气等。
双介质淬火的特点：优点是内应力小、变形及开裂少，缺点是操作困难、不易掌握。
双介质淬火的应用：主要用于碳素工具钢制造的易开裂的工具,如丝锥、板牙等。
三、分级淬火
分级淬火的定义：将钢件奥氏体化后，随之侵入温度稍高（或稍低于）钢的Ms点的液态介质中，保持适当时间，待钢件的内外层都达到介质温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火工艺。
分级淬火的特点：通过在Ms点附近的保温，使工件内外温差减到最小，可以减小淬火应力，防止工件变形和开裂。但由于盐浴的冷却能力较差，对碳钢零件，淬火后会出现非马氏体组织。
分级淬火的应用：主要用于淬透性好的合金钢或截面不大、形状复杂的碳钢工件。
四、等温淬火
等温淬火的定义：将钢件奥氏体化后，随之快冷到贝氏体转变温度区间（260~400℃）等温保持，使奥氏体转变为下贝氏体的淬火工艺。
等温淬火的特点：等温淬火可强化钢材，使工件获得较高的强度、硬度，较好的耐磨性和比马氏体好的韧性，可以显著地减小淬火应力，从而减小工件的淬火变形，避免淬火工件的开裂。
等温淬火的应用: 常用于各种中、高碳工具钢和低碳合金钢制造的形状复杂、尺寸较小、韧性要求较高的各种模具、成型刀具等工件。
钢的淬火缺陷
钢的淬火缺陷
在机械制造中，淬火工序通常都是安排在零件的工艺路线的后期。淬火缺陷如不能进行有效地预防，将会导致零件报废,从而给生产带来损失。钢的淬火常见缺陷有变形和开裂、氧化和脱碳、过热和过烧、硬度不足和软点等。
一、变形和开裂
淬火时最易产生的缺陷是变形和开裂。如只产生变形，有些零件可以设法校正或机械加工使之达到技术条件要求，有些零件往往不便于或不可能进行校正或机械加工，一旦变形超差就导致报废。至于零件淬裂，自然更无法挽救。
变形是指零件在热处理时引起的形状和尺寸的偏差。淬火时在零件中引起的内应力是造成零件变形和开裂的根本原因。当内应力超过材料的屈服强度时，便引起零件变形；当内应力超过材料的强度极限时，便造成零件开裂。
一、变形和开裂
由于零件在淬火过程中，表面和心部的冷却速度不一样，因此形成马氏体的先后也不一样。当零件表面先形成马氏体时，便给尚处于奥氏体状态的心部以拉力，这时，由于奥氏体的塑性很好，此应力可以通过奥氏体的塑性变形而被松驰。
但是，当这部分奥氏体冷却下来向马氏体转变时，由于先期形成的马氏体硬度高，脆性大，塑性极小，故后形成的马氏体部分对它产生的拉应力迅速增大。当拉应力超过材料的屈服强度时，便引起零件变形，一旦超过材料的强度极限，就会引起开裂。另外，即使这种拉应力没有超过材料的强度极限，但由于材料内部的缺陷而造成强度降低，也会引起开裂。这就是引起淬火开裂的物理机理。
一、变形和开裂
预防变形和开裂的措施：
1. 尽量做到均匀加热及正确加热
工件形状复杂或截面尺寸相差悬殊时，常产生加热不均匀而变形。工件在炉内加热时，应均匀放置，防止单面受热，应放平，避免工件在高温塑性状态因自重而变形。合理选择淬火加热温度，也是减少或防止变形、开裂的重要问题。
2. 正确选择冷却方法和冷却介质
3. 正确选择淬火工件浸入淬火介质的方式和运行方向
一、变形和开裂
4. 进行及时、正确的回火
在生产中，有相当一部分工件，并非在淬火时开裂，而是由于淬火后未及时回火而开裂。
这是因为在淬火停留过程中，存在于工件内的微细裂缝在很大的淬火应力作用下，融合、扩展，以至其尺寸达到断裂临界裂缝尺寸，从而发生延时断裂。实践证明，淬火不冷到底并及时回火，是防止开裂的有效措施。对于形状复杂的高碳钢和高碳合金钢，淬火后及时回火尤为重要。
一、变形和开裂
5. 工件的扭曲变形可以通过矫直来校正，但必须在工件塑性允许的范围之内
有时也可利用回火加热时用特定的校正夹具进行矫正。对体积变形有时也可通过补充的研磨加工来修正，但这仅限于孔，槽尺寸剿、，外圆增大等情况。淬火体积变形往往是不可避免的。
但只要掌握了其变形规律，则可根据其胀缩量，在淬火前成型加工时，适当加以修正，就可在淬火后得到合乎要求的几何尺寸。
二、氧化和脱碳
零件加热过程中,若不进行表面防护,将发生氧化脱碳等缺陷,其后果是表面淬硬性降低,达不到技术要求,或在零件表面形成网状裂纹,并严重降低零件外观质量,加大零件粗糙度,甚至超差。
二、氧化和脱碳
氧化和脱碳的预防：
精加工零件淬火加热需要在保护气氛下或盐浴炉内进行,小批量可采用防氧化表面涂层加以防护。
三、过热和过烧
零件在热处理时，如果加热温度过高或在高温下保温的时间过长，引起奥氏体晶粒显著长大，这种现象称为过热。过热现象会影响零件随后热处理后的力学性能，一般可以用正火或退火的办法矫正。如果加热温度过高，是钢的晶界严重氧化或熔化，这种现象称为过烧。过烧会严重降低钢的力学性能，而且不能用其他办法挽救使零件报废，因此必须严格控制加热温度。
过热极易发生沿晶界断裂,应当正确选择淬火加热温度,适当缩短保温时间,并严格控制炉温加以防止,出现的过热组织如有足够的加工余地余量可以重新正火或退火,细化晶粒再次淬火返修。
四、硬度不足和软点
硬度不足是指工件上较大区域内的硬度达不到要求；软点是指工件内许多小区域的硬度不足。
四、硬度不足和软点
造成淬火工件硬度不足的原因有：
(1)加热温度过低，保温时间不足。
(2)表面脱碳引起表面硬度不足。
(3)冷却速度不够。
(4)钢材淬透性不够，截面大处淬不硬。
(5)操作不当。
四、硬度不足和软点
产生淬火软点的原因有：
(1)工件表面有氧化皮及污垢等；
(2)淬火介质中有杂质，如水中有油，使淬火后产生软点；
(3)工件在淬火介质中冷却时，冷却介质的搅动不够，没有及时赶走工件的凹槽及大截面处形成的气泡而产生软点；
(4)渗碳件表面碳浓度不均匀，淬火后硬度不均匀；
(5)淬火前原始组织不均匀。
去应力退火
一、去应力退火的定义
将钢件加热到Ac1以下（100~200）℃，保温一定时间后缓慢冷却的工艺方法称为去应力退火。为了去除由于塑性形变加工、焊接等造成的以及铸件内存在的残余应力而进行的退火。
二、去应力退火工艺要点
加热温度：Ac1以下100~200℃（一般取500~650℃），如图示；
保温时间：适当时间（一般按3min/mm计算）；
冷却方法：随炉冷却至200℃后出炉空冷。
三、去应力退火的目的
去应力退火的目的是为了去除由于形变加工、机械加工、铸造、锻造、热处理、焊接等所产生的残余内应力。
四、去应力退火的应用
零件中存在内应力十分有害，会使零件在加工及使用过程中发生变形，影响工件的精度。因此，形变加工、机械加工、铸造、锻造、热处理、焊接后的工件，应采用去应力退火来消除去应力。
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