钢 的 淬 火

钢 的 淬 火

     钢的淬火是热处理工艺中最重要、也是用途最广泛的工序。淬火可以显著提高钢的强度和硬度。
一、钢的淬火的定义
     定义：将钢件加热到 Ac 3 或Ac 1 以上某一温度，保持一定时间。然后以适当速 度冷却获得 M或B 下 组织的热处理工艺。

二、淬火温度的选择
主要学习碳钢与合金钢的淬火
     1.碳钢的淬火加热温度由Fe－Fe 3 C相图来确定，其目的是为了 ①淬火后希望得到全部细小的马氏体；②淬火后希望硬度高。
     ① 亚共析钢 Ac 3 +(30~50)℃,可获得细小的均匀的马氏体，如温度过高则有晶粒粗化现象，淬火后获得粗大的M，使钢的脆性增大；如温度过低则淬火后M+F，有铁素体出现，淬火硬度不足。
     ② 共析钢与过共析钢 Ac 1 +(30~50)℃，由于有高硬度的渗碳体和马氏体存在，能保证得到高的硬度和耐磨性。如果加热温度超过Ac cm 将会使碳化物全部溶入奥氏体中，使奥氏体中的含碳量增加，淬火后残余奥氏体量增多，降低钢的硬度和耐磨性；淬火温度过高，奥氏体晶粒粗化、含碳量又高，淬火后易得到含有显微裂纹的粗片状马氏体，使钢的脆性增大。
     例如：原始组织为球状珠光体的 T8钢，如淬火加热温度为600℃（＜Ac 3 ＝，则淬火后的硬度与淬火前的退火状态基本相同；如淬火加热温度为780℃（Ac 3 ＋30～50℃），则淬火后的硬度能达到63HRC；如淬火温度提高至1000℃（》Ac 3 ），虽然淬火后硬度能达到63HRC，但是冲击韧性却显著降低。
     2.合金钢
     ①对含有阻碍奥氏体晶粒长大的强碳化物形成元素（如钛、铌等），淬火温度可以高一些，以加速其碳化物的溶解，获得较好的淬火效果 .
     ②对含有促进奥氏体晶粒长大的元素（如锰等），淬火加热温度应低一些，以防止晶粒粗大。
理想冷却速度： 650℃以上应当慢冷，以尽量降低淬火热应力。650~400℃之间应当快速冷却，以通过过冷奥氏体最不稳定的区域，避免发生珠光体或贝氏体转变。 400以下至Ms点附近应当缓以尽量减小马氏体转变时产生的组织应力。具有这种冷却特性的冷却介质可以保证在获得马氏体组织条件下减少淬火应力、避免工件产生变形或开裂

三、淬火介质
     淬火介质：钢从奥氏体状态冷至 Ms点以下所用的冷却介质。常用的有三种：
     水： 650~400℃范围内冷却速度较小，不超过200℃/s ，但在需要慢冷的马氏体转变温度区，其冷却速度又太大，在340℃最大冷却速度高达775℃/s ，很容易引起工件变形和开裂。
此外，水温对水的冷却特性影响很大，水温升高，高温区的冷却速度显著下降，而低温区的冷却速度仍然很高。因此淬火时水温不应超过 30℃，加强水循环和工件的搅动可以加速工件在高温区的冷却速度。
水虽不是理想淬火介质，但却适用于尺寸不大、形状简单的碳钢工件淬火。
     油：在 650~550℃内冷却较慢，不适用于碳钢，300~200℃范围内冷很慢，有利于淬火工件的组织应力，减少工件变形和开裂倾向。 与水相反，提高油温可以降低粘度，增加流动性，故可以提高高温区的冷却能力。但是油温过高，易着火，一般应控制在 60～80℃。 适用于对过冷奥氏体比较稳定的合金钢。
     可见水与油作为淬火介质各有优缺点，均不是属于理想的冷却介质。水的冷却能力很大，但冷却特性不好；油冷却特性较好，但其冷却能力又低。 因此，寻找冷却能力介于油水之间，冷却特性近于理想淬火介质的新型淬火介质是人们努力的目标。由于水是价廉、容易获得、性能稳定的淬火介质，因此目前世界各国都在发展有机水溶液作为淬火介质。美国应用浓度为 15％聚乙烯醇、0.4％抗粘附剂、0.1％防泡剂的淬火介质，以及国内使用比较广泛的新型淬火介质有过饱和硝盐水溶液等。它们的共同特点是冷却能力介于水、油之间，接近于理想淬火介质。例如在398℃时最大冷速为418℃/S，300～200℃时的平均冷速为190℃/S。主要用于贝氏体等温淬火，马氏体分级淬火，常用于处理形状复杂、尺寸较小和变形要求严格的工件。
     常用的淬火方法：单介质淬火、双 介质淬火、马氏体分级淬火、贝氏体等温淬火。
四、淬火方法
     1、 单介质淬火
          优点：操作简单、易实现机械化、应用广泛。
          缺点：水中淬火变形与开裂倾向大；油中淬火冷却速度小，淬透直径小，大件无法淬透。
     2、 双介质淬火
          优点：减少热应力与相变应力，从而减少变形、防止开裂。
          缺点：工艺不易掌握，要求操作熟练。
          适用于中等形状复杂的高碳钢和尺寸较大的合金钢工件。
     3、局部淬火 为了避免工件其它部分产生变形或开裂，即可用局部淬火 。
     4、马氏分级淬火
          优点：使过冷奥氏体在缓冷条件下转变成马氏体，从而头减 少变形。
          缺点：只适用于尺寸较小的零件，否则淬火介质冷却能力不足，温度也难于控制。
     5、马 氏体等温度淬火 优点：下贝氏体的硬度略低于马氏体，但综合力学性能 较好，应用广泛。

五、钢的淬透性与淬硬性
     （一）淬透性
     定义：决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性，即应该是全淬成马氏体的深度。
     1. 影响淬透性有两方面
     （1） 钢的化学成分。除钴以外的合金元素溶于奥氏体后，均能增加过冷奥氏体稳定性，降低马氏体临界冷却速度，从而提高钢的淬透性。
     （2） 奥氏体化条件。提高奥氏体代温度，延长保温时间，使奥氏体晶粒粗大，成分均匀，残余渗碳体和碳化物的溶解彻底，使过冷奥氏体起稳定，使 C曲线越向右移，马氏全临界冷却速度就越小，则钢的淬透性越好。
     2. 淬透性表示方法。常用临界直径大小来定理的比较不同钢种的淬透性大小。临界直径是指钢材在某种介质中淬冷后，心部得到全部马氏体（或 50％马氏体）组织的最大直径。用Dc表示。在同一冷却介质中，钢的临界直径越大，其淬透性越好；但同一钢种在冷却能力大的介质中，比冷却能力小的介质中所得的临界直径要大些。

牌号
临界直径 /mm

淬　水
淬　油

45
13～16.5
5～9.5

20Cr
12～19
6～12


     3. 淬透性的实用意义：
     1）淬透——性能均匀一致
     2）未淬透——韧性降低
     （二）钢的淬硬性
          定义：钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度的能力。
     值得注意的：钢的淬透性与淬硬性是两个不同的概念。淬透性好的钢其淬硬性不一定高，而淬火后硬度低的钢也可能是具有高的淬透性。如低合金钢淬透性相当好，但其淬硬性却不高；高碳钢的淬硬性高，但其淬透性却很差。

八、钢的淬火缺陷及其防止
     1. 淬火工件的过热和过烧
     工件在淬火加热时，由于温度过高或者时间过长造成奥氏体晶粒粗大的缺陷称为过热。
     由于过热不仅在淬火后得到粗大马氏体组织，而且易于引起淬火裂纹。因此，淬火过热的工件强度和韧性降低，易于产生脆性断裂。轻微的过热可用延长回火时间补救。严重的过热则需进行一次细化晶粒退火，然后再重新淬火。 淬火加热温度太高，使奥氏体晶界出局部熔化或者发生氧化的现象称为过烧。 过烧是严重的加热缺陷，工件一旦过烧无法补救，只能报废。过烧的原因主要是设备失灵或操作不当造成的。高速钢淬火温度高容易过烧，火焰炉加热局部温度过高也容易造成过烧。
     2. 淬火加热时的氧化和脱碳
     淬火加热时，钢件与周围加热介质相互作用往往会产生氧化和脱碳等缺陷。氧化使工件尺寸减小，表面光洁程度降低，并严重影响淬火冷却速度，进而使淬火工件出现软点或硬度不足等新的缺陷。工件表面脱碳会降低淬火后钢的表面硬度、耐磨性，并显著降低其疲劳强度。因此，淬火加热时，在获得均匀化奥氏体时，必须注意防止氧化和脱碳现象。 在空气介质炉中加热时，防止氧化和脱碳最简单的方法是在炉子升温加热时向炉内加入无水分的木炭，以改变炉内气氛，减少氧化和脱碳。此外，采用盐炉加热、用铸铁屑覆盖工件表面，或是在工件表面热涂硼酸等方法都可有效地防止或减少工件的氧化和脱碳。
     3. 淬火时形成的内应力
     有两种情况： ①工作在加热或冷却时，由于同部位存在着温度差别而导致热胀或冷缩不一致所引起的应力称为热应力。②由于热处理过程中各部位冷速的差异使工件各部位相转变的不同时性所引起的应力称为相变应力。
当两力相复合超过钢的屈服强度时，工件就变形；当复合力超过钢的抗拉强度时，工件就开裂。
     解决办法：①工件在加热炉中安放时，要尽量保证受热均匀，防止加热时变形；②对形状复杂或导热性差的高合金钢，应缓慢加热或多次预热，以减少加热中产生的热应力； ③选择合适的淬火冷却介质和淬火方法，以减少冷却中热应力和相变应力。
     但淬火不是最终热处理，为了消除淬火钢的残余内应力，得到不同强度、硬度和韧性配合的性能，需要配以不同温度的回火。钢淬火后再经回火，是为了使工件获得良好的使用性能，以充发挥材料的潜力。如：轴承通过淬火加低温回火可以提高硬度和耐磨性；弹簧钢通过淬火加中温回火可以显著提高弹性极限。所以淬火和回火是不可分割的、紧密衔接在一起的两种热处理工艺。

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